Jim
Fitch
Понимание расхода масла в двигателе
Большой расход моторного масла почти всегда является
симптомом или следствием другого состояния двигателя, которое часто является
более существенным. В статье рассмотрен этот вопрос с точки зрения расхода
масла на угар (в противоположность утечкам). Не смотря на то, что основное
внимание будет сосредоточено на расходе масла в дизельных двигателях, используемых в промышленности
и коммерческих целях, многое из того, что будет обсуждаться ниже, можно соотнести с
бензиновыми двигателями легковых автомобилей и газовыми двигателями.
Сам по себе, расход масла является хорошо известным
источником вредных выбросов в атмосферу. Не сгоревшее или частично
сожженное масло выходит через выхлопную трубу в виде углеводородов и твердых
частиц (сажи). Кроме того противоизносные присадки масла являются «ядом» или по
крайней мере ухудшают работу катализаторов. Чем больше расход масла через камеру
сгорания, тем больше риск «отравления» и снижение эффективности работы
катализатора. В дальнейшем это обостряет
воздействие на окружающую среду.
Как расход масла влияет на выбросы выхлопных газов
С течением времени двигатели изнашиваются и все больше расходуют картерное масло. Твердые примеси в сочетании с сажей и другими взвешенными загрязнениями масла влияют на износ двигателя, образование отложений и масляную экономичность (величину расхода масла). Когда масло расходуется, оно попадает в камеру сгорания, сжигается с топливом и выталкивается в атмосферу с выхлопными газами в виде частиц и летучих углеводородов.
Свежие моторные масла имеют много легких молекул и соответственно летучих фракции, они более склонны к эмиссии углеводородов. При старении масла, уровень эмиссии углеводородов стабилизируется, но он может, и увеличиться при загрязнении масла топливом (разбавлении), например, при коротких пробегах или длинных простоях. Однако, в общем, срок службы масла не оказывает существенного влияния на выбросы окиси углерода и оксидов азота.
Уровень выбросов выхлопных газов может значительно повыситься с течением времени, что соответствует износу двигателя и образованию отложений. Это приводит не только к большему количеству выхлопных частиц, но также к более высокому процентному содержания углеводородов, которые является побочным продуктом расхода масла на угар. Было замечено, что масло является существенным фактором увеличения выбросов твердых частиц по мере старения двигателя, особенно это актуально для дизелей. Очевидной стратегией регулирования и снижения выбросов углеводородов является снижение расхода масла. Это возможно только посредством контроля за эффективностью сгорания, износом и образованием отложений (особенно благодаря надежной смазке и фильтрации масла).
Причины высокого
расхода масла
Причины большого расхода масла являются многочисленными и сложными. Так как расход масла является симптомом других состояний и неисправностей двигателя, то нужно учитывать его изменение. Его следует рассматривать в контексте других данных и факторов, включая анализ масла, цвет выхлопных газов, срок службы двигателя (наработка после последнего ремонта), повышенное давление, температура запуска, нагрузки, прорыв картерных газов и условия эксплуатации. Анализ масла будет обсуждаться с точки зрения соотношения и смысла общих тенденций и как они могут быть полезны для устранения неисправностей.
Понимание механизмов движения масла необходимо для того,
чтобы предотвратить его поступление туда, где его не должно быть. Расход масла
зависит от конструкции двигателя и условий его эксплуатации.
Расход масла преимущественно происходит вблизи или через
камеру сгорания, вниз через клапаны или вверх мимо компрессионных поршневых
колец.
Движение масла и его
расход через клапаны
Масло со стержней впускных клапанов всасывается в камеру
сгорания во время нормальной работы двигателя. Горячие выхлопные газы сжигают
масло на выпускных клапанах. Если есть большие зазоры между штоками клапанов и
направляющими, то двигатель будет всасывать много масла вниз в цилиндры по направляющим.
Это может быть вызвано износом направляющих клапанов и уплотнений, их
трещинами, поломкой или неправильной установкой. Двигатель может иметь хорошую
компрессию, но и большой расход масла.
Расход масла через
поршневые кольца
Моторное масло служит для создания масляной пленки на
стенках цилиндров. Его большая часть снимается маслосъёмным кольцом, но все же
остается тонкая пленка. При замедлении двигателя высокое отрицательное давление
засасывает масло в камеру сгорания и выбрасывает в выпускной коллектор.
Проблема является более выраженной, когда кольца или
цилиндры сильно изношены или повреждены, но это также может произойти, если
цилиндры были расточены неправильно (не по кругу или с финишными поверхностными
дефектами) при производстве (переделке/ремонте) или если кольца были
установлены неправильно.
Большее движение масла через поршневые кольца и вдоль цилиндра
обычно происходит во время такта сжатия. Маслосъёмное кольцо снимает масло со стенок
цилиндра. Оно стекает через отверстия/канавки в кольце. Масло, остающееся на
стенке цилиндра, необходимо для смазки компрессионных колец. После того как масло
прошло мимо компрессионных колец, ему трудно вернуться в картер. Тем не менее,
картерные газы могут способствовать тому, чтобы помочь попасть маслу обратно в
поддон картера (Рисунок 1).
Рисунок 1. Расход масла через кольца (Shell)
Отложения на
поршневых кольцах и их подвижность
Отложения на кольцах могут существенно уменьшить их
подвижность и упругие деформации. Аналогично и подвижность кольца, на котором
образуются отложения, может влиять на скорость движения масла в пределах пакета
колец. Подвижность кольца определяет время пребывания масла в пакете колец,
которое в свою очередь влияет на скорость разложения масла и образование
отложений (Рисунок 2). Температура в пакете колец варьируется в диапазоне 195..340
°C.
Рисунок 2. Последовательность формирования отложений в
кольцевой канавке поршня
В совокупности эти условия могут ускорить износ сопряжений поршень-кольцо-цилиндр
(ПКЦ), ухудшить эффективность сгорания, увеличить прорыв газов и ухудшить
масляную экономичность (увеличить расход масла). Одним из примеров этого является
коксование колец. В этом явлении, формирование отложений происходит в кольцевых
канавках (от сажи и продуктов разложения масла). Ограничение подвижности кольца
увеличивает износ, прорыв газов и расход масла с каждым тактом поршня.
Испарение со стенок
цилиндра
Около 17 % от общего расхода масла ассоциируется с его
испарением со стенок цилиндра. Чем больше закругленная поверхность цилиндра,
чем более она шероховата, тем больше масляная пленка, которая остается на
цилиндре после рабочего хода поршня. Высокая температура поверхности цилиндра
(80..300 °С)
ведет к испарению масла и его потере. Легкие молекулы масла больше склонны к
испарению. Эти легкие молекулы в первую очередь испаряются из масла, и к концу
срока службы масла его испаряемость меньше.
Не все масла одинаковой вязкости равны с точки зрения летучести
(подвержены испаряемости). Некоторые масла в большей, чем на 50 % мере склонны
к испаряемости, чем другие.
Это зависит от молекулярно-массового состава базового масла.
Конечно, температура играет ключевую роль. Низкая температура цилиндра приводит
к низкой скорости испарения. Температура стенок цилиндра зависит от нагрузки,
эффективности сгорания и охлаждения.Приблизительно 74 % испарения происходит на тактах впуска и
сжатия (скоростные эффекты не наблюдаются).
Прорыв газов от
овальности цилиндра
Овальность стенок цилиндра обычно обусловлена точностью механической
обработки, а так же неравномерностью распределения давления и температуры по
поверхности. Поршневые кольца в определенной степени соответствуют некоторой
овальности цилиндра. Тем не менее, обратные картерные газы и масляный туман
могут легко проходить через эти искажения диаметра цилиндра мимо колец.
Масляный туман с обратными картерными газами поступает в камеру сгорания и
далее уносится с выхлопными газами.
Условия всплытия
верхнего кольца
Исследователи обнаружили, что пониженная вязкость масла
может ухудшить условия «всплытия»
маслосъёмного кольца. "Всплытие" в основном означает, что есть
слишком толстая пленка масла между маслосъёмным кольцом и стенкой цилиндра.
Следовательно, эта чрезмерная вязкость препятствует способности колец соскрести масло в полной мере от стенки цилиндра и
вернуть его в картер. В результате, слишком много масла остается на стенке
цилиндра, которое затем может двигаться в направлении компрессионных колец или
оставаться прилипшим к гильзе, увеличивая потери масла на испарение.
Стоит отметить, что слишком малая вязкость влечет множество
опасностей. Всегда желательно иметь масло оптимальной вязкости (не слишком малой
или большой). Этот "оптимум" определяет и определяется многочисленными
конструкционными и эксплуатационными факторами двигателя, в том числе желанием уменьшить
расход масла.
Влияние сроков замены
масла
Сроки замены масла постоянно увеличиваются. И не смотря на
явные преимущества этого (меньшая стоимость замены масла, более высокая
производительность, экологические выгоды) есть и определенные риски для ресурса
двигателя, топливная экономичность и финансовые потери.
На Рисунке 3 показаны результаты недавних исследований
влияния сроков замены масла на его расход. Три различных двигателя (Класс 8,
увеличенные интервалы сервисного обслуживания) при различных сроках замены
масла показали четкую зависимость между состоянием масла и его расходом. Можно
сделать вывод, о том, что наработка масла, его старение (высокое содержание
сажи, потеря диспергирующих свойств, истощение присадок, увеличение количества нерастворимых
веществ, уменьшение индекса сдвига масла, загрязнения, нагрузки, и т.д.) ухудшают
способность двигателя сохранить масло в процессе эксплуатации.
Рисунок 3. Влияние интервалов замены масла, тыс. миль на его расход, миль на
литр масла (Carver,
Exxon)
Расход масла при
анализе масла
Мониторинг уровня масла и доливок является надежным
источником для определения расхода масла и масляной экономичности. Если расход
масла низкий, то маловероятно, что в это время с двигателем что-то будет не
так, просто потому, что потребление моторного масла находится в пределах
нормального и безопасного диапазона. Поэтому вполне логично отслеживать уровень масла и объём
доливок между заменами.
В приведенной таблице представлена информация не только о том, как высокий расход масла может сопровождать определенные данные отчета масла, но и приводятся примеры того, что эти данные могут означать.
АНАЛИЗ МАСЛА
И ДРУГИЕ ДАННЫЕ, ВКЛЮЧАЕМЫЕ В ОТЧЕТЫ
|
ЧТО ЭТО МОЖЕТ
ОЗНАЧАТЬ
|
КАК ЭТО МОЖЕТ
ВЛИЯТЬ НА ВЫСОКИЙ РАСХОД МАСЛА
|
КАК ЭТО МОЖЕТ
ПРИВЕСТИ К ВЫСОКОМУ РАСХОДУ МАСЛА
|
КАК ЭТО МОЖЕТ
ПРОИСХОДИТЬ ОДНОВРЕМЕННО С ВЫСОКИМ РАСХОДОМ МАСЛА
|
Низкое
щелочное число / высокое кислотное число
|
Большой
прорыв картерных газов, загрязнение водой, некачественное базовое масло,
высокосернистое топливо
|
Коррозия
кольцо-поршень-цилиндр (КПЦ), закоксовка поршневых колец
|
Низкий
уровень масла преждевременно истощает моющие присадки и антиокислители
|
Большой
прорыв картерных газов из-за плохой компрессии / эффективности сгорания
|
Большая
вязкость масла
|
Высокое
содержание сажи, неправильное масло, антифриз в масле, перегрев масла,
увеличенные интервалы замены, окисление
|
Всплытие
верхнего компрессионного кольца, закоксовка кольцевой канавки
|
Потеря
легких фракций
|
Высокий
прорыв картерных газов (сажа) из-за плохой компрессии / низкой эффективности
сгорания
|
Малая
вязкость масла
|
Разбавление
топливом, неправильное масло, деструкция загустителя
|
Потеря
легких фракций, износ КПЦ
|
Неполное
сгорание и прорыв картерных газов (разбавление топливом)
|
|
Большое
количество сажи в масле
|
Значительные
прорывы картерных газов, увеличенные интервалы замены, рециркуляция
отработавших газов, длительная работа на холостом ходу
|
Всплытие
верхнего компрессионного кольца вследствие повышенной вязкости, износ КПЦ
|
Низкий
уровень масла, высокая концентрация сажи
|
Высокий
прорыв картерных газов (сажа) из-за плохой компрессии / низкой эффективности
сгорания
|
Низкие
диспергирующие свойства сажи
|
Загрязнение
водой, чрезмерное сажеобразование, разбавление топливом, увеличенные
интервалы замены, утечки антифриза
|
Закоксовывание
поршневых колец
|
Низкий
уровень масла преждевременно истощает диспергирующие присадки
|
Высокий
прорыв картерных газов (сажа) из-за плохой компрессии / низкой эффективности
сгорания, неполное сгорание и картерные газы (разбавление топливом)
|
Вода
в масле
|
Утечки
антифриза, кратковременные режимы работы двигателя, низкие температуры
|
Коррозия
КПЦ
|
Высокий
прорыв картерных газов и кратковременные режимы работы двигателя
|
|
Нерастворимые
шламы и продукты окисления масла
|
Увеличенные
интервалы замены, плохие диспергирующие свойства, слабые моющие свойства
|
Закоксовка
колец, износ КПЦ
|
Низкий
уровень масла повышает температуру картерного масла и преждевременно истощает
антиокислители
|
|
Разбавление
топливом
|
Высокий
прорыв картерных газов, износ КПЦ, увеличенные интервалы замены, проблемы с
впрыском топлива, обогащенная топливная смесь, работа двигателя на предельных
нагрузках
|
Износ
КПЦ, картерные газы, преждевременное окисление базового масла, отложения на
поршневых кольцах
|
Неполное
сгорание и картерные газы (разбавление топливом)
|
|
Загрязнение
антифризом (гликолем)
|
Утечка
антифриза через дефектное уплотнение, кавитация, коррозия, повреждение трубок
радиатора, повреждение прокладки головки блока цилиндров, др.
|
Всплытие
верхнего поршневого кольца из-за увеличенной вязкости, износ КПЦ, коррозия
КПЦ, отложения на поршневых кольцах
|
Высокий
прорыв картерных газов (сажа) из-за плохой компрессии / низкой эффективности
сгорания
|
|
Грязное
мало (песчаная пыль) и другие твердые загрязнения
|
Пыльный
засасываемый воздух, неисправный масляный фильтр, грязное топливо, грязное
новое/доливаемое масло, частицы износа и коррозии
|
Абразивный
износ КПЦ вызывает повышенный расход масла
|
Высокий
расход загрязненного масла усиливает абразивный износ КПЦ и еще большее
образование загрязняющих масло частиц
|
Понимание того, как двигатели потребляют масло, по-прежнему
находится в стадии разработки и является предметом исследований многих
организаций.
Важно замедлить или остановить увеличение расхода масла как
можно раньше. Несомненно, в ближайшие годы будет достигнут значительный
прогресс в этом вопросе. В то же время, целесообразно использовать текущий
набор знаний в полной мере. Стратегии, описанные в этой статье, предлагают несколько
способов, как это может быть достигнуто.
Об авторе
Jim Fitch имеет
богатый «добытый в окопах» опыт в смазке, анализе масла, трибологии и
машиностроении при расследовании отказов техники. За последние два десятилетия
он представил сотни курсов по этим вопросам. Jim Fitch опубликовал более чем 200 технических статей, документов и
публикаций. Он является делегатом США в рабочей группе ISO по
трибологии и анализе масла. Начиная с 2002 г директор и член правления
Международного Совета по смазке оборудования. Генеральный директор и
соучредитель корпорации Noria.
Контакт jfitch@noria.com.
По материалам электронного журнала
NoriaCorporation
