Отложения в двигателе

Изменение свойств масла в работающем двигателе

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 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,

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, 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:

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.

Читать еще: Что такое тепловой зазор двигателя

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.

ПРИЧИНЫ ОТЛОЖЕНИЙ В ДВИГАТЕЛЯX

При эксплуатации двигателей даже на качественных моторных маслах у клиентов иногда возникают проблемы, связанные с чистотой деталей двигателей, контактирующих с системой смазки. В данном информационном письме будут описаны возможные причины таких проблем.

Чистота двигателя это обязательное условие его длительной и безупречной работы.
Производители двигателей из года в год предъявляют требования к моторным маслам, которые должны обеспечить желаемый параметр. Новые стандарты на моторные масла, которые принимают каждые два-три года, все больше ужесточают контроль чистоты двигателя и его компонентов.

Однако, на практике, при разборке двигателя, работающего на дорогом, импортном масле, часто можно обнаружить толстый слой налета.

Ниже приведены возможные причины подобных проявлений:

перегрев двигателя;
длительная работа двигателя при низкой температуре масла;
существенное превышение рекомендуемых интервалов замены масла;
изношенный турбокомпрессор;
попадание антифриза в масло;
выработка дизелем больших количеств сажи

Рассмотрим детально каждую из этих причин.

При кратковременном сильном перегреве двигателя, особых проблем с маслом не возникает, но, чаще всего, для водителя это оборачивается дорогостоящим ремонтом двигателя. В таких случаях фиксируются деформация головки блока цилиндров, прихват или обрыв поршней.

Небольшой перегрев не так заметен, но его последствия более плачевны. Из-за не корректно работающей системы охлаждения, (это может быть термостат, радиатор, помпа, указатель температуры), температура двигателя и масла может повышаться на 20-30 градусов.

При регулярных перегревах до не критических для конструкции температур, аварийной поломки не происходит и, зачастую, водитель не фиксирует факты перегрева.

Однако, при этом происходит быстрое старение масла и износ двигателя. При перегреве масла, его вязкость существенно снижается, и тем самым ухудшается уплотнение маслом поршней и поршневых колец, а значит, увеличивается количество газов, прорывающихся в картер. Скорость реакций окисления и нитрации масла напрямую зависят от температуры и концентрации реагентов. Концентрация кислорода, азота и продуктов сгорания в картере перегретого двигателя намного выше. Сильное окисление и нитрация масла приводят, в конечном итоге, к его полимеризации, образованию отложений на деталях двигателя в виде нагара (от оранжевого до темно-коричневого цвета). Мягкого шлама в поддоне картера обычно в таких случаях нет.

При неработающем термостате или частых коротких поездках с остановками двигателя, его температура не достигает рабочей номинальной величины. Топливо, сгорая в цилиндрах, образует комплекс продуктов сгорания и воду. При сгорании 1 литра бензина вырабатывается около 1 литра воды (при сгорании дизельного топлива — воды несколько меньше, а при сгорании газа больше). Основная масса воды, в виде пара, выходит через систему выхлопа, но небольшой процент попадает в картер двигателя.

При нормальной температуре двигателя (90-95ºС) пар через систему вентиляции и рециркуляции удаляется в атмосферу, а при низкой температуре — конденсируется на деталях двигателях, омываемых маслом. При таких условиях, масло с водой образует устойчивую гелеподобную эмульсию, которая захватывает на себя продукты износа двигателя, продукты сгорания топлива, образует кислоты. Это снижает моющий и диспергирующий потенциал масла. Его щелочное число быстро падает, а кислотное — растет.

Если при нормальном температурном режиме моющего потенциала хватает на длительные интервалы замены, то при снижении температуры способность масла содержать двигатель в чистоте сокращается в разы. Поэтому, в таких моторах наблюдаются обширные отложения шлама, особенно в картере, где самая низкая температура масла и высокая концентрация воды.

Определенная часть водителей ошибочно считает, что низкая температура мотора повысит его ресурс, и спохватятся только зимой, когда обогреватель не будет нагревать салон автомобиля или когда будет затруднен пуск двигателя из-за возросшей вязкости водо-масляной эмульсии.

Специфика такого шлама заключается в том, что очевидна его низкотемпературная природа. Судить об этом можно по его цвету: обычно он мутный (из-за воды) с желто-черным оттенком, а структура мягкая и однородная. Легче всего его можно обнаружить, не разбирая двигатель, на крышке заливной горловины или щупе контроля уровня масла.

Здесь все просто. Любое масло рассчитано на определенный пробег в конкретном двигателе. Такой пробег, производитель двигателя устанавливает с учетом возможностей нефтехимии масел на момент его производства.

Учитывая, что технологии не стоят на месте, через несколько лет после выпуска автомобиля, стандарты, качество и потенциал масел улучшается, интервалы замены увеличиваются. Обычно водители этих тенденций не учитывают, опасаясь за непредвиденные последствия. Это правильная позиция, потому, что при увеличении интервала замены возникает большой риск износа или аварийной поломки. При превышении рекомендуемого интервала наработки, масло быстро утрачивает практически все свои свойства.

Самым заметным является рост или падение вязкости, увеличение расхода масла, рост коксуемости, быстрое образование твердых нагаров на поршнях и шламов во всей системе смазке. Процессы старения масла аналогичны тем, которые описаны в первой причине связанной с перегревом масла, однако, в данном случае, при двукратном превышении интервала наработки они проходят значительно медленнее.

Если подойти профессионально к обслуживанию двигателей, существенно увеличить интервал наработки масла, тем не менее, можно. Для этого требуется соблюдать три условия:

Заправлять автомобиль качественным топливом на брендовых АЗС
Использовать моторное масло высшего уровня качества известных производителей
Контролировать изменение параметров масла в процессе его работы в двигателе

Выполнение этих условий позволит увеличить межсервисный интервал в 2-3 раза.

Конструкция турбокомпрессора такова, что уплотнение выхлопных газов от турбины осуществляется маслом, смазывающим пару “вал – втулка”. Даже при незначительном износе втулки, зазор между ней и валом увеличивается, и выхлопные газы просачиваются по валу в зону слива масла.

Такое просачивание вызвано тем, что давление масляного клина в изношенном подшипнике становится меньше, чем давление выхлопных газов на входе в турбину. Выхлопной газ при температуре около 100ºС смешивается с маслом в сливном канале, образуя высокотемпературный газо-масляный коктейль.

Читать еще: Что это двигатель мтс

Понятно, что в таких условиях масло работать не может и попросту горит, а продукты его горения, окисления, нитрации и пиролиза выпадают в виде отложений коричневого цвета на деталях двигателя

При попадании антифриза в масло, шлам приобретает бурый цвет. Такой внешний вид шлама может наблюдаться как в бензиновых, так и в дизельных двигателях. Причем, в бензиновых — цвет ближе к коричневому или рыжему, в дизельных — ближе к темно серому.

Причина такого шлама, вероятнее всего, кроется в антифризе, который регулярно попадет в моторное масло. Пути протечек известны и легко диагностируются. Однако, в случае незначительных утечек, дефект, чаще всего остается незамеченными, так как при малых расходах антифриза на долив, причины чаще списываются на не герметичность системы охлаждения (радиаторов и шлангов). Водители даже не подозревают, что антифриз попадает в масло.

При длительном систематическом попадании антифриза в картер двигателя через прокладку головки цилиндров либо трещину в системе охлаждения, происходит существенное ухудшение свойств моторного масла. При визуальном контроле уровня масла водитель на начальном этапе попадания антифриза, отклонений не замечает.

Здесь, важно отметить, широко распространенное заблуждение о том, что антифриз, в смеси с маслом, окрашивает его в мутновато — светлый цвет и легко диагностируется. На самом деле, при малых утечках, цвет не меняется поскольку, когда начинает меняться цвет масла концентрация антифриза достигает критических, с точки зрения нормальной работы двигателя концентраций (происходит снижение давления масла). Уровень антифриза в расширительном бачке быстро падает, и водитель предпринимает соответствующие шаги по ремонту двигателя.

При малой инфузии антифриза все вышеперечисленные проявления не наблюдаются, так как вода из смеси быстро испаряется, поэтому масло не мутнеет, а двигатель длительный период работает на смеси моторного масла и гликоля.

Возникает вопрос: что происходит с маслом и с двигателем в такой ситуации? Как известно, любой антифриз является смесью этилен/пропилен гликоля воды и присадок.

В двигателе вода, из маслогликолевой смеси, очень быстро испаряется через положительную вентиляцию картера. Этилен/пропилен гликоль коагулирует масла, придавая им свойства желеобразной субстанции, которая налипает на внутренних поверхностях двигателя.

Этот процесс очень медленный и продолжительный. Его скорость в первую очередь зависит от величины утечки антифриза в систему смазки двигателя. Единственно надежный способ диагностики подобного рода неисправностей это контроль параметров масла по наличию в нем антифриза и характерных присадок, которые характерны для охлаждающих жидкостей (это натрий, калий и бор).

В некоторых случаях подобную диагностику может провести сам водитель, обратив внимание на неоднородные субстанции на щупе масла или крышке заливной горловины. Однако точно и надежно эту проблему диагностируют только лабораторные испытания

Такая картина может наблюдаться только в дизельном двигателе, и его причиной является чрезмерно большая концентрации сажи в моторном масле.

Сажа образуется в дизелях и является продуктом неполного сгорания дизельного топлива (атомарный углерод), которая при работе двигателя видна в виде черного дыма из выпускной системы. Часть сажи из камеры сгорания через цилиндропоршневую группу попадает в картер, где смешивается с маслом, после чего окрашивает его в черный цвет.

Иногда сажа может образоваться и в бензиновом двигателе при очень богатой топливной смеси. Но в таком случае, расход бензина существенно увеличивается.

Эволюция развития стандартов на моторные масла развивается по пути ужесточения требований к маслам, по способности удержания сажи в масле во взвешенном состоянии.

С каждым новым стандартом допускается все более высокий процент сажи. В настоящий момент, наивысшая концентрация сажи в масле, допускается в стандарте качества на моторные масла редакции 2009 года API CJ-4, на уровне до 6.7%. При более высокой концентрации сажи, диспергирующие присадки масла более не могут удерживать сажу во взвешенном состоянии, так как их активность рассчитана на концентрацию сажи до 6.0%. Вследствие этого, часть свободной сажи коагулируется с маслом и осаждается на деталях системы смазки.

Важно понять причину аномально высокой концентрации сажи в масле. Их может быть две:

Основная и наиболее частая причина высокой концентрации сажи — это неправильная работа топливной системы (очень поздний впрыск топлива, и/или низкая компрессия двигателя). Предельно высокая концентрация сажи в масле не характерна для дизельных двигателей грузовых автомобилей европейского производства и, обычно, составляет не более 3% при наработке двигателя на одном образце масла около 100 000 км. При таких концентрациях сажи в масле детали двигателя будут абсолютно чистыми.
Вторая причина высокой концентрации сажи встречается реже — это большой пробег мотора на одной заливке масла. Для того, чтобы при нормально работающей системе впрыска топлива, в масле накопилось 6.0% сажи, оно в грузовом автомобиле должно наработать около 150 000 км.

Виды отложений в двигателе. Лаки и шламы

Лаки — продукт окисления тонких масляных пленок под действием высоких температур. Образуются на юбке и поднутрениях поршня, способствуют закоксовыванию поршневых колец, а также образовываются под клапанной крышкой.

Локализация лаков

Образуются на юбке и поднутрениях поршня, способствуют закоксовыванию поршневых колец, а также образовываются под клапанной крышкой.

Причины появления лаков

Перегрев как результат неисправности системы охлаждения;

локальный перегрев по разным причинам;

склонность базового масла к окислению;

значительное количество загустителя в моторном масле;

недостаточные моюще-диспергирующие свойства моторного масла;

перепробег и как следствие низкая активность моюще-диспергирующих присадок.

Последствия появления лаков

Залегание поршневых колец из-за закоксовки лаком и все последствия: — падение компрессии в части цилиндров; расход масла и нагарообразование как результат;

абразивный износ цилиндра и прочих пар трения;

увеличение температуры деталей двигателя из-за низкого теплоотвода;

дисбаланс вращения коленвала из-за разницы в весе поршней.

Как моторное масло защищает от лаков?

Не содержит минеральной основы;

содержит сбалансированный пакет присадок (с низким количеством загустителя);

высокие термоокислительные свойства базового масла;

моюще-диспергирующие свойства присадок и базовых масел;

регулярная замена моторного масла.

Шламы

Шламы — низкотемпературные мазеобразные отложения, которые являются смесью продуктов окисления углеводородов, эмульсии и воды. Результат перепробега, окисления и обводнения масла. Видны в конце процедуры замены масла.

Причины появления шламов в двигателе

Перепробег и как следствие низкая активность моюще-диспергирующих присадок;

попадание в моторное масло кислот и воды;

попадание в моторное масло антифриза;

городской режим эксплуатации;

большое количество лаков и нагаров в двигателе;

слабая вентиляции картера.

Рекомендации по профилактике отложений в виде лаков в двигателе

Регулярное использование присадок в моторное масло поможет защитить ДВС от негативного влияния эксплуатационных факторов.

MOTUL Engine Clean Auto

Состав

Беззольные активные детергенты без хлора, способные формировать адгезивные слои в комбинации с металлсодержащими противоизносными компонентами защищающими двигатель при чистке в маловязком растворителе.

Читать еще: Автомобиль лада приора неисправности двигателя

Применение

Легковые автомобили, грузовая техника, мототехника 4Т, водная техника 4Т, садовая техника 4Т.

Средство полностью совместимо с материалом прокладок и сальников.

Преимущества компонентов присадки

• Растворитель разрушает вторичные лаки, скрепляющие большие частицы. Это приводит к снижению размеров частиц лака загрязнений и их дальнейшему более легкому выводу из системы в виде мицелл;

• Детергенты помогают растворить первичные лаки и удалить их в объем масла с поверхности деталей. Это приводит к очищению поршневых колец от лаков и выравниванию компрессии в цилиндрах;

• Дисперсанты образуют устойчивую эмульсию и помогают вывести влагу;

• Противоизносные компоненты усиливают защитные свойства, что компенсирует разжижение масла.

Эффект от использования

— Выравнивание компрессии во всех цилиндрах двигателя и как следствие: ровная работа двигателя, снижение расхода топлива, снижение угара масла, снижение нагарообразования в камере сгорания и негативного влияния на чувствительные системы доочистки. Экономия на ремонте.

— Улучшение защитных свойств нового масла, что важно при скачкообразном увеличении количества абразивных загрязнений при разрушении лаков.

— Продление сервисного интервала нового моторного масла за счет снижения количества остающихся лаков, шламов, окислителей и воды. Экономия на моторном масле.

Результаты изменения компрессии показывают, что при использовании средства Motul Engine Clean, увеличивается компрессия за счет удаления лаков с поршневых колец.

Результаты теста Тимкен ASTM D2782 показывают, что при использовании средства Motul Engine Clean не происходит падения защитных свойств масла, хотя вязкость при этом снижается на 10%.

Результаты теста на коррозию показывают, что при использовании средства Motul Engine Clean не происходит снижения антикоррозионных свойств моторного масла.

MOTUL Hydraulic Lifter Care