Влияние нагара на износ двигателя

[torcon 66 297]

В данной статье будут описаны факторы, влияющие на ресурс цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания, в том числе расход масла и полировку цилиндра.

 

Многие ошибочно полагают, что износ происходит по причине тривиального перемалывания неровностей движущихся поверхностей. На самом деле узлы, работающие при правильно спроектированных условиях смазки работоспособны достаточно долго без видимых следов износа. Сказанное относится к механизмам, работающим при щадящих температурах и отсутствии аварийных режимов. Основными причинами, вызывающими износ цилиндров, поршней и поршневых колец, исключая внешние факторы (пыль, неустановившееся режимы), которые работают в условиях, занимающее промежуточное значение между гидродинамической и эластогидродинамической смазки, являются отложения на поршне выше первого компрессионного кольца.

 

Чрезмерные отложения в районе первого компрессионного кольца вызывают чрезмерный расход масла по причине нарушения подвижности колец (но не зависания) и полировку цилиндра абразивным компонентом нагара. Полировка также может быть вызвана химической коррозией при работе двигателя на топливе с высоким содержанием серы и низкой (т.е. недостаточной в таком случае) щелочностью масла. Поддержание хонингованной поверхности цилиндра в первозданном виде является ключевым моментом для продления ресурса двигателя, сдерживания расхода масла, низкого износа поршневых колец и предотвращению их задирания.

 

Низкий расход масла и полировка цилиндра могут достигаться при применении специально разработанных масел, которые минимизируют отложения в верхней части поршневого кольца и обеспечивают необходимую щелочность для минимизации коррозионных аспектов полировки цилиндра.

 

В дополнение к вкладу по износу двигателя вносимого серой топлива, существенное влияние оказывает, неправильно выбранное масло по высокотемпературной вязкости. С одной стороны при увеличении вязкости используемого масла выше проектного, увеличивается толщина масляной пленки в зоне трения поршневых колец, что казалось бы, благоприятно сказывается на защитных функциях масла. Однако вследствие применения высоковязких масел резко возрастает расход топлива и возникает масляное голодание цилиндропоршневой группы, которая по принятым схемам в автотранспорте не дуальных систем смазки обеспечивается маслом, как правило, за счет масляного тумана и разбрызгивания. При эксплуатации моторов на маловязких маслах, с вязкостью обеспечивающей минимально допустимую толщину масляной пленки, существует вероятность появления поломки за счет разжижения масла низкокачественным бензином или дизельным топливом при неисправной системе питания, либо при перегреве и критических нагрузках. Износ, возникающий на маслах с вязкостью меньше, нежели требуется конструктивно, более заметен, так как его следствием являются прихваты поршней и заклинивания моторов.

 

Увеличение срока работы двигателя является первой задачей двигателестроителей. Она решается путем усовершенствования конструкционных материалов конструктивных решений, а так же смазочных материалов. Эти изменения значительно продлили ресурс двигателей, что в свою очередь увеличило интервалы между капремонтами в 4-х тактных двигателях, которые проводились в главную очередь из-за увеличения расхода масла. Разработка новых двигателей и смазочных позволила увеличить интервалы обслуживания в последних моделях (июнь 1999 года) автомобилей Audi до 50 000км, а грузовых Mersedes до160 000 км.

 

На износ цилиндропоршневой группы влияют

 

конструкция боковой части поршня выше первого компрессионного кольца

отложения в области выше первого компрессионного кольца

состав и стабильность моющих присадок;

зольность масла

сера в топливе.

Конструкция поршня в районе выше первого компрессионного кольца является критической для расхода масла. Для того чтобы снизить расход масла в двигателях, Американские и Японские двигателепроизводители используют повышенный зазор между стенкой поршня выше первого компрессионного кольца и цилиндром (усеченная боковая поверхность). Для таких двигателей характерен меньший расход масла по сравнению с Европейскими моторами, у которых малый зазор между головкой поршня и цилиндром (полная боковая поверхность, европейские двигатели). Низкий расход масла для усеченных поршней происходит по причине минимального контакта углеродистых отложений и цилиндра. Для поршней с полной боковой поверхностью ответственность за повышенный расход масла ложится на износ полировкой углеродистыми отложениями цилиндра. Износ цилиндра и высокий расход масла вызывается "заваливанием" поршня на цилиндр и углеродистыми образованими на боковой поверхности поршня выше первого компрессионного кольца.

 

У американцев, несмотря на малый расход масла, тоже есть недостатки. Так паразитный объем, образующийся у поршней с усеченной поверхностью между поршнем и втулкой при нахождении последнего в ВМТ, существенно влияет на расход топлива. Второе, этот мертвый объем увеличивает углеводородный выхлоп СН, что жестко контролируется Американской ассоциацией защиты окружающей среды. Таким образом, проблема поршней с усеченной поверхностью состоит в уменьшении мертвого пространства, что в свою очередь скажется как на снижении расхода топлива.

Европейские двигателестроители традиционно делают поршня с полной боковой поверхностью из-за экономии топлива и уменьшения температуры верхней канавки. Для минимизации контакта между отложениями на боковой поверхности поршня и зеркалом втулки цилиндра используется удлиненная юбка поршня с контролем осевого смещения поршневого пальца для ограничения поперечного колебания поршня. Тем не менее, износ есть и здесь, и это износ абразивный за счет нагара. Первичной причиной отложений на поршне является его высокая температура, масло там попросту горит. Кроме этого наличие сажи в двигателе усугубляет этот процесс.

 

Надо отметить, что углеродистые отложения выше первого компрессионного кольца вызывают полировку цилиндра в характерных зонах: на упорной и противоположной сторонах цилиндра в результате колебаний поршня вызванной реактивной силой со стороны коленвала. Подчеркнем еще раз это результат не граничного трения, а именно абразивного износа. Полировка случается также на осях поршневых пальцев. Это происходит из-за искривления и прогибания блока по причине механических и термических нагрузок. Искривление блока приводит к расцентровке между осями цилиндра и шатуна. Эта проблема часто приводит к повышению полировки цилиндров в многоцилиндровых двигателях.

 

В отличии от поршней с полной боковой поверхностью поршня с усеченной боковой поверхностью обеспечивают более низкую и равномерную полировку цилиндра. Это происходит по причине меньшего контакта отложений с зеркалом втулки цилиндра, даже в искривленных цилиндрах. Расход масла у двигателей с усеченной боковой поверхностью на половину меньше, нежели у двигателей с полной боковой поверхностью и более постоянен. Отсюда вытекает всем известный и мало кем объясняемый факт повышенного ресурса американских моторов. Но это один из факторов, иные мы здесь не рассматриваем.

 

В Европейских ходовых испытаниях повышенный расход масла всегда ассоциируется с полировкой цилиндра. Поэтому то в Европейских стандартах уделяется столь пристальное внимание фактору по полировке, который в Америке практически игнорируется.

 

Следствие этого различные требования стандартов и различные составы масел.

 

Нагар на поршнях толщиной всего несколько десятков микрон, работая на уже частично отполированных цилиндрах, оказывают катастрофическое влияние на расход масла, прорыв газов и износ. Процесс начинается почти мгновенно (максимум 10 000 км) и лавинообразно. Чем больше износ, тем больше выгорает масла, значит, образуется больше нагара, который во все больших количествах изнашивает цилиндр и кольца. Быстро полируется практически вся площадь цилиндра, масло не задерживается в зоне трения и снимается нижним поршневым кольцом, заставляя работать остальные в условиях сухого трения. Для двигателя это конец. Что бы запустить этот механизм надо либо протянуть с заменой масла, когда моющие присадки уже сработались и нагар не вымывается, либо изначально использовать некачественный продукт, либо залить высокосернистое топливо. Все названные просчеты в обслуживании автомобиля имеют последствия соизмеримые с песком, засыпанным в масло с абразивными свойствами идентичными нагарам на боковой поверхности поршня.

 

Износ колец происходит по тему же механизму что и полировка цилиндра. Основные составляющие износа: абразив нагара, который изнашивает кольцо в радиальном и осевом направлении (правда в случае применения совсем никчемных масел, износа торцевой плоскости не произойдет, по причине зависания кольца и потери его подвижности), химическая коррозия, зеркальная поверхность цилиндра не задерживающая масло и создающая условия работы верхних колец в сухом трении, т.е. без масла. Зеркальная поверхность является восприимчивой к задиранию из-за отсутствия способности сохранять масло на поверхности цилиндра. Полировка увеличивает расход масла, износ колец и задирает кольца с цилиндрами.

 

Отложения состоят из органических и неорганических компонентов: сажи и окисленного масла как загустителя, а также с неорганических металлов и солей и золы.

 

Неорганические соли образуются из дитиофосфата цинка (ZnDTP) и металлсодержащих детергентов. У детергентов на основе кальция главным неорганическим соединением является сульфат кальция (СаSO4) в форме ангидрида и CaSO4*1\2 H2O - (полуводный) гипс. Детергенты на основе магния имеют главную неорганическую соль MgSO4*6H2O в форме гексагидрита. Именно по причине инертности химического состава нагаров на поршнях, очевидны несостоятельные попытки удаления этих отложений в течение нескольких минут известными препаратами. Нагары надо не удалять, а не допускать появления, применяя масла тех классов, которые предписываются производителями моторов, и тех производителей, которые гарантируют соответствие своей продукции заявленному качеству.

 

Статья была любезно предоставлена Алексеем (Volvo 340)

Источник

[tabachka 221]

Prosto-Dmitriy

чем выше поршень, тем более равномерно распределяются боковые векторы нагрузки, и сила давления на единицу площади снижается(кг/см2).

В общем случае сила давления действительно снижается, но по причине того, что на длинном поршне в пятне контакта с цилиндром(а это нижняя часть юбки) действующая величина силы, возникающая от разворачивающего поршень момента при трении пальца в бобышке поршня, будет меньше.

Опять, же это справедлимво для общего случая, в зависимости от смещения пальца может быть и наоборот.

Ну да ладно, главное, понятно, что нагар в огневом поясе это большое зло.

Знатоки, извечный вопрос, что лить?

Изменено 27 февраля 2013 пользователем tabachka

[Elya 88]

С точки зрения динамики развития процессов происходящих в ДВС, идеальным является поршень, где расстояние от первого компрессионного кольца до нижней кромки юбки равно диаметру поршня. Ось пальца находится в одной плоскости с первым компрессионным кольцом, и осевое смещение пальца равно нулю. Но таких не бывает.

P.S. ДВС состоит из 1% железа и 99% фундаментальной физики

истину глаголишь!

но про "не бывает" ты не прав. Бывает - в корабельных двигателях. Для разгрузки боковых усилий, там же двигатель по меркам автомобильных даже не миллионник, а "миллиардник". И ползун еще используют. Пальцев правда нэма.

[vergaser 131]

И оборотов у него этак, 300-400 поди Я представляю если его тысяч 5 хотя бы крутануть что будет... =@ По этому в современных движках думаю скоро одно дно от поршня останется без юбки Так сказать уменьшают массу деталей соверщающих возвратно-поступательные движения в угоду повышения КПД и экономичности движка.

Изменено 27 февраля 2013 пользователем vergaser

[Kotov_VaS 360]

Статья мне понравилоась косяков не заметил. Однако считаю такой укор на масло рекомендованное производителем некорректным тогда и интервал замены давайте соблюдаать 20.000. Км по москве!

[DIman 612]

@Kotov_VaS, инетрвалы указаны как некий оптимум между не угробить двигатель/выходить гарантийный интервал/сэкономить средства покупателей. Вон в тоётах на дизельные крузаки в мануалах масло предписано было менять раз в 7.5 тысячь, так народ бушевал что мол че так часто

Изменено 28 февраля 2013 пользователем DIman

[Kotov_VaS 360]

@Kotov_VaS, инетрвалы указаны как некий оптимум между не угробить двигатель/выходить гарантийный интервал/сэкономить средства покупателей. Вон в тоётах на дизельные крузаки в мануалах масло предписано было менять раз в 7.5 тысячь, так народ бушевал что мол че так часто

Согласен полностью просто хочу дополнить, тем что вязкость и класс масла можно тоже выбирать, а не тупо следовать рекомендациям.

[DIman 612]

Согласен полностью просто хочу дополнить, тем что вязкость и класс масла можно тоже выбирать, а не тупо следовать рекомендациям.

Конечно можно, вопрос в том - какая будет оптимальной.

[Гость Gubkin]

дизельные крузаки в мануалах масло предписано было менять раз в 7.5 тысячь

наверное поэтому для него 500 тыс.км. не пробег даже...

[ADDY 55]

Кстати, вытащил поршни, на всех 4-х износ верхнего компрессионного кольца по толщине, рабочая кромка как и была. Сами канавки в поршнях сохранили форму. Это как так получилось    Материал колец прочнее материала поршня, но часть колец что в канавке уменьшилась по толщине, а часть что выступала осталась прежней. В первый раз такое вижу. Второе компрессионное и маслосъёмное нареканий не вызывают.