Закоксовывание автомобильных двигателей.Для автомобильных двигателей не меньшую опасность, чем износ, представляет закоксовывание. Рассмотрим в чем суть этого явления, от каких факторов оно зависит и к каким отрицательным последствиям приводит.
В России и Украине автомобили обычно эксплуатируются с несколькими ремонтами двигателя до тех пор, пока не сгниет кузов. За десятки тысяч километров пробега между ремонтами в двигателе сгорают тонны топлива с выделением отходов, постепенно загрязняющих все внутренние поверхности. Эти отложения ухудшают теплоотдачу и смазку термонагруженных узлов трения, что приводит к увеличению расходов топлива и масла, снижению мощности и приемистости, повышению токсичности отработавших газов. Во многих случаях избыточные отложения являются причиной отказов двигателей.
Все отложения, накапливающиеся в двигателе, делят на шламы, лаки
и нагары.Шламы - низкотемпературные мазеобразные отложения состоят из окисленных компонентов масла, воды и охлаждающей жидкости, а также попадающих в масло продуктов неполного сгорания топлива. Шламы оседают в основном на деталях двигателя с невысокой рабочей температурой: на сетке маслоприемника масляного насоса, на фильтре, в каналах системы смазки, на клапанной крышке, стенках картера, на поверхностях коленвала и распредвала. Шламы в фильтре препятствуют очистке масла и могут вызвать срабатывание перепускного клапана и поступление неочищенного масла в систему. При забитых шламами маслоприемниках и каналах масляной системы нарушается подача масла к узлам трения, что ведет к задирам и заклиниванию двигателя.
Лаки представляют собой эластичные пленки, образующиеся на цилиндрах и на поршнях в зоне компрессионных и маслосъемных колец, а также на юбке и внутренних стенках поршней. Такие среднетемпературные отложения ухудшают теплоотвод от деталей, что приводит к перегревам двигателя и сокращению его ресурса. Лакообразование в поршневых канавках способствует залеганию колец.
Нагары – твердые отложения из углеродистых соединений и золы (неорганических остатков сгорания топлива, присадок и масла). Накопление именно таких отложений в термонагруженных зонах: на свечах, клапанах, на днище и боковой поверхности поршней выше первого компрессионного кольца, на стенках камеры сгорания и понимается обычно под термином «закоксовывание двигателя».
Интенсивность образования нагара в двигателе зависит от качества топлива
и полноты сгорания смеси.Бензины всегда содержат некоторую часть смол – неиспаряющихся жидких или вязких веществ с повышенной молекулярной массой, растворимых в бензине и дизельном топливе. Кроме фактических смол, в бензине содержатся также смолообразующие вещества - различные нестойкие соединения, которые с течением времени под воздействием повышенных температур и при участии кислорода воздуха окисляются, полимеризуются, конденсируются и переходят в смолы. Количество таких смолообразующих соединений зависит от химического состава сырья, способов его переработки и качества очистки. Недостаточной стабильностью обладают бензины с высоким содержанием непредельных углеводородов. В низкооктановые автомобильные бензины обычно вовлекается большое количество продуктов термической переработки нефти (крекинга и коксования) с повышенным содержанием непредельных соединений. Поэтому такие бензины легко окисляются при хранении и применении с образованием смолистых осадков. Существенное влияние на накопление смол в бензине оказывает температура хранения (Рис.12).
Рис.12. Изменение содержания смол в автомобильном прямогонном бензине в зависимости от температуры хранения: 1-в исходном состоянии, 2-после месячного хранения при 15 0 С, 3-после месячного хранения при 40 0 СТяжелые неиспаряющиеся молекулы смол при испарении бензина высаждаются на стенках трубопроводов, в жиклерах, во всасывающем коллекторе и на впускных клапанах. Большая часть смолистых соединений высаждается на начальной стадии испарения топлива на элементах топливоподающей системы, что приводит к падению мощности и ухудшению экономичности работы двигателя, увеличению токсичности отработавших газов.
Количество отложений и месторасположение их в топливной системе зависит от конструктивных особенностей двигателя. Так, введение принудительной системы вентиляции картера резко увеличило образование отложений в карбюраторе вследствие наличия в картерных газах капель масла и продуктов неполного сгорания бензина. Для двигателей с непосредственным впрыском бензина характерно увеличение отложений на впускных клапанах (в местах расположения форсунок).
Часть смол, невысадившихся во впускном тракте, попадает с топливом в цилиндры и при дальнейшем испарении топлива высаждается на днище поршня, стенки камеры сгорания и участвует в процессе нагарообразования. Основной же вклад в количество нагара на рабочих поверхностях двигателя вносят продукты неполного сгорания топлива.
Необходимыми условиями полного сгорания топлива в двигателе являются:
Испарение всего топлива в рабочем объеме, наличие достаточного для сгорания топлива количества кислорода в смеси. Испарение топлива в двигателе происходит в три последовательных стадии. На стадии впрыска топлива в цилиндр испаряются лишь наиболее легкие фракции топлива. Затем на стадии сжатия при повышении температуры в цилиндре испаряется основная масса топлива. Не меньшую роль в процессе сгорания, играет сила искрового разряда свече. Некоторая часть топлива испаряется лишь на стадии процесса горения при дальнейшем повышении температуры в рабочем объеме.
Процентное соотношение топлива испаряющегося на этих трех стадиях зависит от фракционного состава топлива и от величины компрессии. Чем больше топлива испаряется на первых двух стадиях, тем выше полнота его сгорания, тем эффективнее работает двигатель, тем меньше износ и загрязнение рабочих поверхностей.
Топливная аппаратура двигателей подает в цилиндры воздушно-топливную смесь в виде аэрозоли – сложной мелкодисперсной системы состоящей из воздуха, газообразной части топлива и жидких частиц топлива. При исправном состоянии аппаратуры питания размеры жидких капель топлива, поступающих в цилиндры, находятся в диапазоне 30 - 200 микрометров.
На такте сжатия при повышении давления (и, соответственно, температуры) в цилиндре размеры жидких капель постепенно уменьшаются вследствие испарения все более тяжелых (с повышенной температурой кипения) компонентов топлива.
При компрессии в бензиновом двигателе 12-13 атм повышение температуры в рабочем объеме вследствие сжатия превышает 200 0С. В этом случае практически все молекулы бензина испаряются и переходят в газообразное состояние к моменту поджига смеси. При меньшей величине компрессии (и, соответственно, меньшем повышении температуры) часть топлива остается в цилиндре к моменту воспламенения в жидком состоянии. Чем ниже компрессия, тем больше размер жидких капель, остающихся в надпоршневом пространстве и тем выше концентрация жидкой фазы в цилиндре перед началом процесса горения. Такое увеличение содержания жидкой фазы в смеси способствует нестабильности воспламенения и срывам процесса поджига смеси.
Если воспламенение смеси произошло успешно, то с началом процесса горения при последующем повышении температуры в рабочем объеме находящиеся в воздухе жидкие капли топлива постепенно испаряются, и выделяющийся слой пара затем участвует в горении. При оптимальных размерах капель топлива горение их растянуто во времени и продолжается до окончания фазы расширения, что повышает крутящий момент. Если же капли чрезмерно большие, и топливо не успевает вовремя испариться и сгореть, тогда (при наличии кислорода) горение продолжается и на такте выпуска в цилиндре, а также в выпускной системе.
Процесс горения топлива представляет собой ряд цепных реакций, конечный итог которого определяется соотношением атомов углерода и водорода в горючем и количеством атомов кислорода (окислителя) в смеси. Горючая смесь в двигателе должна формироваться таким образом, чтобы все молекулы топлива получили необходимое "кислородное обеспечение", достаточное для завершения процесса окисления углеводородов до СО2 и Н2О во фронте пламени. Если кислород заканчивается, то "лишние" наиболее тяжелые компоненты топлива не могут сгореть. При недостатке кислорода реакция цепного окисления молекул углеводородов задерживается на оксиде углерода СО, саже и на ряде недоокисленных углеводородов СН. Обогащенная воздушно-топливная смесь формируется всегда в режимах холостого хода и при ускорениях - дросселировании (Рис.13).
Рис.13 Зависимость коэффициента избытка воздуха от частоты вращения коленвалаОсновными причинами постоянной работы двигателя на переобогащенной смеси (при недостатке кислорода) являются неисправности системы питания (перелив) и пониженная компрессия. При уменьшении компрессии уменьшается наполнение цилиндров воздухом из-за снижения разрежения в рабочем объеме на такте впуска, ухудшения очистки надпоршневого пространства от отработавших газов, а также возрастания процентного содержания рециркулируемых картерных газов в подаваемой в цилиндры смеси.
В накоплении несгоревших углеводородов в двигателе внутреннего сгорания и последующем превращении их в нагар важную роль играют холодные стенки цилиндра. В цилиндрах бензиновых двигателей пламя, подожженное искрой свечи, распространяется затем по воздушнотопливной смеси со скоростью 20-40 м/c к поршню и стенкам цилиндра. Пламенное горение топлива возможно лишь при температуре свыше 800 0С. При приближении участка горения к охлаждаемым стенкам цилиндра происходит гашение пламени. При этом испарившиеся молекулы диффундируют от холодных стенок в высокотемпературную область и сгорают там. Неиспарившееся же топливо, а также жидкие продукты неполного сгорания конденсируются на стенке и стекают вниз в зазор цилиндр - поршень над первым компрессионным кольцом (Рис.14).
Рис.14 Распределение температуры при горении и формирование нагара на стенкахДальнейшее перемещение этих отложений по поверхности поршня и по стенкам цилиндра определяется вязкостью компонентов. Самая подвижная часть жидких отложений (несгоревшее топливо) смывает масляную пленку со стенок цилиндра и поступает в картер, разбавляя моторное масло. Вязкие смолистые соединения задерживаются в поршневых канавках маслосъемных колец. Наиболее же вязкие и тугоплавкие отходы (с температурой плавления свыше 300 0С) накапливаются на поршне над верхним компрессионным кольцом. Именно в этих паразитных объемах - пристеночных карманах камеры сгорания происходит коксование продуктов неполного сгорания топлива с образованием нагара.
В практике эксплуатации автомобилей чаще встречается залегание маслосъемных, а не компрессионных колец. Маслосъемные кольца залегают при продолжительных простоях двигателя, когда накопившиеся жидкие отложения смол, асфальтенов и битумов постепенно стекают сверху и задерживаются в поршневых канавках маслосъемных колец. Залеганию маслосъемных колец способствуют также длительная работа двигателя без замены масла (из-за срабатывания моющих присадок), применение некачественного масла (с низкой термостабильностью или с малым содержанием моющих присадок), перегревы двигателя с интенсивным окислением масла.
Механические характеристики отложений, накапливающихся в пристеночных паразитных объемах над первым компрессионным кольцом, зависят от температуры в таких объемах. Процессы термического распада и коксования углеводородных молекул идут с заметной скоростью лишь при температуре превышающей 350 0С. При правильно организованном сгорании топлива на поршнях и рабочей части цилиндров не должны достигаться температуры, при которых интенсивно протекают процессы коксования углеводородов. Это требование является основным ограничением для форсирования двигателей по мощности, с которым приходится считаться разработчикам моторов. Тепловое состояние деталей цилиндропоршневой группы принято характеризовать значениями температуры в четырех точках (Рис.15).
Рис.15 Характерные теплонапряженные точки цилиндра и поршня ДВС для дизельных (а) и бензиновых (б) двигателейВеличины температур в этих характерных точках деталей цилиндропоршневой группы не должны превышать следующие критические уровни:
1. Допустимое значение температуры в точке 1 (в дизелях – на кромке камеры сгорания, в бензиновых двигателях – в центре донышка поршня) не более 350 0С При превышении этой температуры в данной зоне происходит интенсивное нагарообразование на поршнях, а также возможно оплавление кромок камер сгорания в дизелях или прогар поршня в бензиновых двигателях для всех серийно применяемых в двигателестроении алюминиевых сплавов .
2. Значение температуры в точке 2 поршня (над верхним компрессионным кольцом) ограничивается 250-260 0С (кратковременно до 300 0С). При больших температурах начинается уплотнение остатков топлива и масла в зоне выжимки, что сопровождается “залеганием” поршневых колец с потерей их подвижности.
3. Предельное значение температуры точки 3 поршня (расположенной симметрично по срезу головки поршня на внутренней его стороне) допускается в 220 0С. При больших температурах на внутренней поверхности поршня происходит интенсивное образование лаков из масла. Лаковые отложения являются мощным тепловым барьером, препятствующим теплоотводу через масло, что неизбежно приводит к повышению температур во всем объеме поршня.
4. Максимальное допустимое значение температуры в точке 4 (на поверхности цилиндра напротив места остановки верхнего компрессионного кольца в верхней мертвой точке) – 200 0С. При больших температурах масло не обеспечивает образования стабильной масляной пленки на зеркале цилиндра,
а значит, будет происходить «сухое» трение колец по зеркалу цилиндра с механическим изнашиванием деталей цилиндропоршневой группы
Теплоотвод от наиболее термонагруженной верхней части поршней осуществляется в основном через кольца к охлаждаемой стенке цилиндра.
При неравномерном износе верхней части цилиндров (с образованием конусности и эллипсности) уменьшается площадь контакта колец с цилиндром, а также уменьшается длительность времени контакта (поскольку стабильное скольжение колец по цилиндру переходит в режим биений). В такой ситуации количество отводимой от поршня теплоты резко уменьшается, температура верхней части поршня повышается сверх критических значений и ускоряется нагарообразование.
По мере накопления отложений в паразитных объемах цилиндропоршневой группы и при реализации в таких зонах критических значений температуры (выше 350 0С) в условиях недостатка кислорода начинается дальнейшая углефикация продуктов неполного сгорания.
Высокотемпературные отложения в двигателе (нагар) состоят из смолистых соединений, асфальтенов, тяжелых битумов (с температурой плавления свыше 500 0С), аморфной сажи, поликристаллического углерода (кокса) и золы - неорганической минеральной составляющей. Именно наличие в нагаре золы и поликристаллического углерода придает структурную жесткость этому образованию. В зависимости от процентного соотношения вязкой составляющей (смолистых веществ с битумом) и жесткой составляющей (поликристаллического углерода и золы) выделяют две стадии формирования нагара:
На первой более ранней или незавершенной стадии в композитной структуре нагара преобладают смолистые вещества, и они являются связующим компонентом, а кокс и зола – наполнители. Такой нагар имеет вязкую консистенцию. На этой стадии для раскоксовывания двигателя эффективно применение дополнительных моющих присадок к топливу и маслу, а также промывочных составов и растворителей перед заменой масла.
На второй стадии нагарообразования скелет нагара формируют твердый поликристаллический углерод (кокс) и нерганические минеральные компоненты-зола, а смолистые вещества присутствуют в качестве наполнителя в жестком каркасе. Когда нагар на поршне достигает такого состояния, начинается полировка и абразивный износ верхней части зеркала цилиндра. Нагар такой консистенции может быть удален с рабочих поверхностей только механическим путем.
Существенный вклад в процесс нагарообразования может вносить также моторное масло. Мизерная часть масла неизбежно попадает в камеру сгорания вследствие естественного расхода на угар. Современные масла содержат большое количество присадок, которые при сгорании образуют зольные отложения. Чем выше качество масла, тем больше в нем массовая доля присадок, но сгорать они должны с минимальным количеством зольных отложений.
При повышенном попадании масла в камеру сгорания через маслосъемные колпачки и изношенные поршневые кольца, а также через систему вентиляции картера с картерными газами образуется толстый слой нагара, ведущий к заклиниванию клапанов в направляющих втулках и предельному уменьшению проходного сечения впускных и выпускных клапанов.
Наросты нагара на клапанах мешают наполнению цилиндра воздухом и ухудшают очистку от отработавших газов. Нагар на клапанах препятствует также плотной посадке клапана в седло, что приводит к прогоранию клапана
и падению компрессии в цилиндрах. Нагарообразование и износ – два взаимосвязанных процесса, неотвратимо ухудшающих работоспособность автомобильных двигателей. На первой стадии формирования нагара компрессия может повышаться в результате уменьшения объема камеры сгорания (увеличения степени сжатия), а также из-за ухудшения теплоотвода от рабочего объема. При дальнейшей эксплуатации двигателя образовавшийся твердый нагар на боковой поверхности поршня, достигнув толщины в десятки микрометров, приводит к полировке и абразивному износу наиболее уязвимой верхней части цилиндра. Далее этот процесс развивается лавинообразно. Износ цилиндров ведет к снижению компрессии и, соответственно, уменьшению полноты сгорания топлива. В результате увеличивается количество остающихся в рабочем объеме промежуточных продуктов горения, а значит, ускоряется процесс закоксовывания двигателя.
Нагар всегда образуется в двигателе при его работе. Часть нагара вымывается и поступает в масло, часть его сгорает, а некоторая часть постепенно нарастает на рабочих поверхностях. Накоплению нагара способствуют неисправность топливной аппаратуры, частая езда на непрогретом двигателе с небольшой нагрузкой на малых оборотах, применение утяжеленного по фракционному составу топлива в двигателях с низкой компрессией.
Чтобы нагар не достиг критических размеров и прочности, при которых альтернативы разборке двигателя уже не существует, необходимо применять моющие присадки к топливу, использовать качественные моторные масла со своевременной их заменой, следить за исправностью топливной аппаратуры,
а также поддерживать номинальную величину компрессии в цилиндрах.
ВАЖНО! Дата публикации и первоисточник пока неизвестны. В ходе поиска удалось установить приблизительный срок, октябрь 2009г. Следы авторства тянутся в НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Статья публикуется как есть.P.S.: Трудно не согласиться, со многим. Но, это в теории. И «волшебные» присадки, и масла и бензин с низким содержанием серы и железа. И всё строго по науке. Все именно так. Не говоря уже о топливе, качество которого взять неоткуда. На практике, проблема закоксовки, начинает заботить только в двух случаях. В первом, расход масла неуклонно растёт, во втором, владельцу просто надоедает его доливать. Т.е. чесать репу, начинаем только когда, припарки уже не помогут. Напрашивается вопрос – Как постараться избежать такой участи? На мой взгляд, исходя из реалий жизни, выход мне видится следующий:
Избежать закоксовки, при условии, что мотор исправен, следовательно, и расхода масла, можно известными способами - НЕ нарушать эксплуатационный режим.
1. Всегда прогревать двигатель перед началом поездки.
2. Сократить интервал замены масла ~ в 1.5 раза. Я не считаю это противоречием, я убежден, что удешевление технологий производства, автоматически должны влечь за собой изменения стандартов и регламента обслуживание.
3. Не превышать установленный стандарт и интервал замены свечей.
4. Не менять изначально рекомендованные производителем стандарт масел.
5. Топливо. Призывать лить то, что указано, и только качественное, и вообще учить жить, значит выглядеть наивным. Тем более, этот пункт самый трудновыполнимый.
