Сажа в дизельном двигателе

Автомобильная индустрия и производители смазочных материалов столкнулись с тем, что дальнейшее развитие автомобильной промышленности диктует увеличенные интервалы замены масла, что бы сократить расходы на обслуживание транспортных средств и воздействие их на окружающую среду. Увеличенные интервалы замены масла приводят к повышению уровня загрязнений и большей деградации масла.

Так же повсеместно внедряется система рециркуляции выхлопных газов — EGR, где часть выхлопных газов рециркулирует во впускном коллекторе. Из-за снижения концентрации кислорода во впускном воздухе происходит уменьшение температуры сгорания и сокращение уровня содержания вредного оксида азота (NOx). EGR рециркулирует продукты сгорания, которые должны были бы уйти в выхлопную систему, что ведет к дальнейшему загрязнению масла.

Со стороны смазочных материалов, проблема загрязнения масла частицами сгорания решается путем диспергирования частиц во взвешенном состоянии. Расширенные интервалы смены масла диктуют определенные свойства масел. Такие масла обладают хорошей дисперсной способностью, но дальнейшее развитие этих свойств масла зашло в тупик и не имеет развития, повышать дальше содержание дисперсантов нельзя, потому что это негативно влияет на коррозию деталей в двигателе из-за свободных аминов.

Сажа из выхлопной системы и сажа содержащаяся в масле имеет разный состав и содержание углерода. В саже которая содержится в масле 90% углерода и 6% кислорода.  А в саже из выхлопной трубы около >50% углерода и <30% кислорода.

Частицы сажи в двигателях с EGR на 20-30% тверже, чем частицы сажи в двигателях без EGR.

Из сажи выработанной двигателем, только 29% процентов сажи вылетит в выхлопную трубу, остальное останется в масле, на стенках цилиндра, короне поршня. Около 3% сажи приходится на прорыв газов, в результате она осаждается на кольцах, попадает в картер и циркулирует по двигателю контактируя с деталями двигателя.

Сажа усугубляет износ в тех местах контакта, где меньше всего поступает смазки. Самое вероятное место где происходит износ — это клапанный механизм, так как он расположен в верхней части двигателя и недостаточно смазывается маслом, особенно во время холодных стартов, ввиду того, что на холостом ходу низкое масляное давление и высокая вязкость масла.

Клапанный-механизм-точки-износа.

Рисунок 2. Рабочие поверхности в клапанном механизме. (наиболее вероятные места износа)

На рисунке 3 показан износ деталей двигателя в зависимости от угла открытия клапана EGR (больше угол открытия EGR — больше содержание сажи ). Становится очевидно, что при большем содержании сажи возрастает износ в цилиндрах и клапанном механизме, однако в клапанном механизме износ выше.

Рисунок-3-Износ-4D55T

Рисунок 3. Средний износ узлов трения в турбодизеле Mitsubishi 4D55T (прямой предок 4D56 после которых у нас много анализов с повышенным износом.)

Чем больше сажи в масле, тем больше износ двигателя, поршневых колец, кулачков распредвалов, коромысел, направляющих клапанов итд.

В настоящий момент времени типичный уровень содержания сажи в рабочем масле 3-5%. Такой уровень сажи уже проявляет признаки приличного износа двигателя. Интервалы замены масла растут и доходят до 50 000км в пассажирских авто и 120 000км в тягачах. В будущем к 2010 году в автомобильной промышленности ожидают уровни сажи до 10%. В индустрии смазочных

материалов пытаются  разработать моторные масла, справляющиеся с большим содержанием сажи без существенного увеличения вязкости.  Автопроизводители со своей стороны, пытаются минимизировать последствия сильно загрязненных масел в двигателях внутреннего сгорания, для этого и изобретают центрифуги — где сажа сепарируется от масла.

Решение заключается в процессе, при котором часть смазочного масла отводится и отдельно подвергается тонкой фильтрации в центрифуге вторичного контура.  Центрифуга отделяет мельчайшие частицы сажи от масла.  Ротор центрифуги вращается под давлением потока отводимого масла. В зависимости от температуры и вязкости масла, скорость может достигать более 10 000 оборотов в минуту, в результате чего примеси прижимаются к наружной стенке центрифуги, сжимаются и адсорбируются.

Основные стандарты испытаний для оценки влияния сажи на дизельный двигатель, это — Cummins M-11 EGR тест (API CI-4), Mack T-8E (ASTM D 5967), Mack T-9 (ASTM D 6483), тест на двигателе Mitsubishi 4D34T4, Caterpillar 1R (1P-API CH-4), GM тест ASTM D 5966.

Из приведенных выше тестов, тест Cummins М-11 EGR по-видимому, наиболее полезный для определения износа двигателя связанного с образованием сажи,  он сосредоточен в главной области потенциального износа и дает больше возможностей для анализа и понимания влияния сажи. Так же этот тест наиболее часто используется в промышленности.

Самыми первыми способами тестирования и оценки влияния сажи на износ, являлись тесты на четырех-шариковой машинке трения — four-ball test. Для тестов использовались различные базовые масла с присадками, в которые замешивали технический углерод или центрифугированную сажу из двигателей. Эти тесты показали увеличение износа с ростом уровня загрязнения масла.

Так же учеными Rounds и Berbezier было обнаружено что, чем больше частички сажи, тем больше эффект полировки деталей. Размер частиц сажи был очень важен, например частички сажи 20нм в диаметре показывали низкую скорость износа по сравнению с частицами 300нм.

Недавние исследования D.A. Green показали, что смесь базового масла и сажи  дает значительное увеличение износа при использовании высокочастотной возвратно-поступательной установки (высокочастотной машинке трения HFFR)

hfr2

Рисунок 4. Схема высокочастотной машинки трения.

Испытания с 5% сажи по весу, показали увеличение износа на 800% при температуре 100С.

график-зависимости-износа-от-температуры-и-содержания-сажи

Рисунок 5. Результаты испытания на высокочастотной машинке трения, при различных уровнях содержания сажи и диапазоном температур от 25С до 100С.

Исследование полученных пятен износа с использованием оптической микроскопии, показало что с увеличением уровня содержания сажи увеличивается и износ.  При низких уровнях сажи (меньше 2%) износ связанные с содержанием сажи очень мал, и в большей степени связан от контакта метал-метал при соприкосновении.  Более высокие уровни содержания сажи показывают больший износ  (как показано в примерах на пятнах износа) потому что повышенный уровень содержания сажи увеличивает и область контакта. Содержание сажи более чем 4% показывает абразивный износ из за голодания в зоне контакта, где частички сажи блокируют  доступ смазки к зоне контакта. Фотографии пятен износа с высоким содержанием сажи, показывали пластическую деформацию, наволакивание металла и истирание.

пятна-износа пятна-износа2

Принципиальная схема показывающая механизм износа, который происходит во время возвратно-поступательного движения шарика на плоской поверхности в контакте с высоким уровнем загрязнения, показана на рис. 6.

Схема-истирания-металла

 

Масляное голодание.
Масляное голодание в пятне контакта сопровождается последующим износом. Это происходит при накоплении частичек сажи в критических зонах и блокировании поступления смазки в зоне контакта — в результате масляного голодания и скольжения без масла, появляется износ поверхности.

D. A. Green и другие ученые сделали вывод, что при высоких уровнях загрязнения сажей увеличивается и износ. Это так же подтверждалось и испытаниями H. Sato на четырех-шариковой машинке трения, который позже предположил что скопление частичек сажи в зоне трения вызывало масляное голодание и износ, ввиду того что диаметр скоплений сажи был больше толщины слоя масляной пленки. А в условиях двигателя, в зонах где недостаточно смазки, такое масляное голодание от сажи — еще более вероятно.

Износ цилиндропоршневой группы.
Некоторые испытания показали, что поршневые кольца и стенки цилиндра так же страдают от износа связанного с накоплением сажи. Тестирование с помощью одноцилиндрового дизельного двигателя Ishiki, показали что с применением системы EGR, увеличивается износ верхних поршневых колец. Ввиду этого они так же сделали вывод, что износ происходил из за накопления частиц сажи.

В аналогичной системе A. J. Dennis и др. так же показали, что при применении системы EGR, износ поршневого кольца и стенки цилиндра возрос, но только в условиях высокой нагрузки.  Так же они предположили что коррозионный износ зависит от состава топлива и смазочных материалов. Они поняли, что сера содержащаяся в горюче-смазочных материалах является причиной возникновения кислот и последующей коррозии. Поэтому в действующих нормативах стали ограничивать содержание серы в топливе и смазочных материалах. Последние в свою очередь должны обладать нейтрализующей способностью, что бы противостоять возникновению коррозионного износа.

Y. Yahagi показал что коррозионный износ поверхности цилиндра в дизельных двигателях усугубляется с изменением условий горения, в основном связанного с применением системы EGR. При таких условиях повышается уровень серной кислоты и сажи. В свою очередь присутствие серной кислоты приводит к коррозионному износу.

Моторные испытания на двигателе Cummins M-11 с EGR проводимые ученым S. Li. и др. показали, что при содержании сажи 6% и 9% появлялись очень высокие уровни износа на обоих поршневых кольцах и стенке цилиндра. Износ происходил, как от описанного выше влияния сажи в пятне контакта, так и от существенных признаков присутствия коррозии.

M. Masuko и др. смоделировали отработанное масло используя базовое масло, противоизносную присадку ZDDP и технический углерод в роли сажи, и протестировали на четырех-шариковой машинке трения. Испытания показали возникновение коррозионного износа на тестовых шариках.

Связь между лабораторными и моторными испытаниями
И наконец испытание D. A. Green на высокочастотной машинке трения HFR, где использовали фактически толкатели клапанов и упоры клапанов. В тесте смоделирована толщина масляной пленки в контакте толкатель-упор клапана, при работе двигателя на 4000 об/минуту. Полученные в результате испытания пятна износа представлены ниже на рисунке.

контакты-клапанов

На фотографиях пятен износа отчетливо видно что с повышением содержания сажи увеличивается и износ в зоне контакта.

C.C. Kuo и др. провел испытания на двигателе Cummins M-11 и изучил работу при различных условиях эксплуатации, где уровень сажи достигал 5%. После 200ч испытания, детали клапанного механизма были рассмотрены под электронным микроскопом. Изучение деталей показало сильно изношенные поверхности, аналогичные тому что показали испытания D. A. Green. По мимо прогрессирующего износа, где скопления сажи в зоне контакта приводили к масляному голоданию, так же на поверхности обнаружены усталостные трещины. Исследования S. Li на Cummins M-11 с EGR так же показали износ цилиндров, клапанного механизма и верхних поршневых колец, в следствии истирания вызванного сажей.

M. Soejima и др. провели испытания на установке имитирующей износ кулачков, где использовалось свежее масло и аналогичное отработанное масло. Результаты показали, отработанное масло с диспергированной в нем сажей, показывает большую скорость износа, чем свежее масло.

Моторные испытания которые проводили С. Kim и др. на дизельном двигателе GM 6.2 литра, показали корреляцию между моторными испытаниями и испытаниями на четырех-шариковой машинке трения. В обоих случаях износ возрастал с увеличением концентрации сажи.

Влияние сажи на трение
Сажа влияет не только на износ, но и на трение. Были проведены небольшие исследования на тему как сажа влияет на трение и получены сначала довольно противоречивые результаты.

C. Liu и другие ученые, провели испытания на установке RCD с вращающимся металлическим цилиндром на диске и измерили изменение коэффициента трения в зависимости от смазочного материала и уровня содержания сажи.

RCD

Изначально были получены результаты с некоторым разбросом, коэффициент трения даже уменьшался в связи с присутствием сажи в масле.  C. Liu предположил что частички сажи выступали в качестве модификатора трения. Однако другие испытания P. Ramkumar  на установке Pin on Disc.

Pin-on-Disc

показали, что вместе с увеличением содержания сажи увеличивался и коэффициент трения.

Friction-Coefficient

Рисунок 8. Испытания Ball on Flat (шарик на поверхности) (a) — базовое масло с различным содержанием сажи (b) — сформированное моторное масло с различным содержанием сажи.

Изменение вязкости из за насыщения сажей.
Различные исследования были проведены в области свойств масел при накоплении в них сажи.  Ryason и Hansen в своих испытаниях показали, что загрязнение сажей увеличивает вязкость, и следовательно снижает способность выполнять свои основные функции, в особенности при нижних рабочих температурах. (имеются ввиду температуры от запуска и до полного прогрева).

Исследование M. A. Batko и других ученых, на автомобилях такси GM V6 2.7 работающих в режимах старт-стоп и длительного ХХ (что способствует появлению сажи), показало значительное увеличение вязкости.  Отбор образцов отработки производили от 4000км и до 16 000км. В конце испытаний вязкость отработки повышалась с 60сСт до 300-350сСт.
Эта тенденция увеличения вязкости так же была показана и учеными D. A. Green и R. Lewis в масле с уровнем сажи до 7%.

Viscosity-Increase

Увеличение вязкости из-за накопления сажи оказывает вредное влияние на расход топлива и выбросы в атмосферу.

Износ и трение.
Большинство экспериментов не показали что сажа влияет на эффективность противоизносных присадок в маслах, но абразивное истирание из-за накопления сажи является основным доказанным фактором износа в двигателе.  В автомобильной промышленности это явление получило название — абразивная полировка.

Так же было замечено, что когда увеличиваются уровни содержания сажи, увеличивается и вязкость, которая в итоге приводит к масляному голоданию в узлах. При 10% содержании сажи, масляное голодание, доминирует над другими типами износа, в итоге двигатель вероятнее всего откажет из-за чрезмерного износа или сваривания деталей.

Высокие уровни сажи, так же заставляют двигатель сжигать больше количество топлива и следовательно вырабатывать больше CO2.

Было показано что клапанный механизм наиболее уязвим при накоплении сажи в масле. Причинами является то что, возвратно поступательный тип движения создает разрывы масляной пленки. Так же причинами является слабая подача масла в узлы трения и особенности конструкции двигателя.

Эффект загрязнения сажей так же показал значительный износ в области поршней. Абразивный износ здесь происходит в меньшей степени, чем в клапанном механизме, из-за того что эффективнее создается масляная пленка, но в следствии экстремально высоких температур, прорыва газов и присутствии кислорода, здесь наиболее вероятен коррозионный износ.

ВЫВОДЫ
Эта обзорная статья собрала в себе значительный объем информации и исследований в области загрязнения масел сажей и связанным с этим явлением — износом. Было показано что при богатой топливом смеси и высоких нагрузках в условиях работающего двигателя, резко возрастает содержание частиц сажи, размером примерно 40нм в диаметре, которая либо транспортируется по выхлопной системе, либо попадает в масло. При поглощении смазочным материалом, частицы сажи имеют тенденцию к агломерации в сгустки, примерно диаметра в 200нм. Если на двигателе установлен EGR, то отработанные газы рециркулируют в двигателе и увеличивают размеры частиц сажи в масле.

Загрязненное сажей масло увеличивает износ многих деталей двигателя. Наиболее уязвим клапанный механизм ввиду тонкой масляной пленки и возвратно-поступательного движения в зоне контакта. Как было показано, масляная пленка тоньше, чем диаметр частиц сажи содержащихся в масле.

Были выполнены различные тесты, что бы понять при каком содержании частиц сажи увеличивается износ деталей, и что более важно сами механизмы этого износа. Эти испытания представляли собой, как тесты на воссозданных стендах для лабораторных исследований, так  тесты на реальных двигателях внутреннего сгорания. Доминирующим механизмом износа было абразивное истирание, но более серьезный механизм это масляное голодание, которое происходит при очень высоких уровнях загрязнения сажей и может привести к отказу двигателя, так как узлы трения в конечном итоге окажутся без смазки.

Загрязнение сажей показало увеличение вязкости, увеличение трения, снижение КПД двигателя, увеличение расхода топлива и выбросов CO2 в атмосферу.

Исследования показали насколько необходимо в будущем работать над удалением загрязнений и уменьшением содержания сажи в смазочных материалах. Уменьшение количества сажи можно достичь через дальнейшее развитие дизельного топлива, в котором был бы жесткий контроль содержащихся компонентов при его производстве. Биотопливо показало меньшее содержание сажи при его сгорании, чем обычное дизельное топливо.  И наконец развитие технологии смазочных материалов, улучшение эффективности противоизносных присадок и синтетических моторных масел.

Навеяно статьей написанной в 2008 году и опубликованной в журнале Automobile Engineering учеными D. A. Green и R. Lewis. Department of Mechanical Engineering, University of Sheffield, Sheffield, UK.

Иванов Даниил, ник torcon
Обсуждение статьи на форуме: http://www.oil-club.ru/forum/topic/21822-sazha-v-dizelnom-dvigatele/page-1

 

Leave a Reply