технологія Кесон
Закоксовиваніє автомобільних двигунів
Для автомобільних двигунів не меншу небезпеку, ніж знос, являє закоксовиваніє. Розглянемо в чому суть цього явища, від яких чинників воно залежить і до яких негативних наслідків призводить.
ВУкаіни і Україні автомобілі зазвичай експлуатуються з декількома ремонтами двигуна до тих пір, поки не згниє кузов. За десятки тисяч кілометрів пробігу між ремонтами в двигуні згоряють тонни палива з виділенням відходів, поступово забруднюючих всі внутрішні поверхні. Ці відкладення погіршують тепловіддачу і мастило термонавантажених вузлів тертя, що призводить до збільшення витрат палива і масла, зниження потужності і прийомистості, підвищенню токсичності відпрацьованих газів. У багатьох випадках надлишкові відкладення є причиною відмов двигунів.
Всі відкладення, що накопичуються в двигуні, ділять на шлами, лаки і нагар.
Шлами - низькотемпературні мазеподібні відкладення складаються з окислених компонентів масла, води і охолоджуючої рідини, а також потрапляють в масло продуктів неповного згоряння палива. Шлами осідають в основному на деталях двигуна з невисокою робочою температурою: на сітці маслоприемника масляного насоса, на фільтрі, в каналах системи змащення, на клапанної кришці, стінках картера, на поверхнях клонували і распредвала. Шлами в фільтрі перешкоджають очищенню масла і можуть викликати спрацьовування перепускного клапана і надходження неочищеного масла в систему. При забитих шлаками маслоприймачів і каналах масляної системи порушується подача масла до вузлів тертя, що веде до задирам і заклинювання двигуна.
Лаки представляють собою еластичні плівки, що утворюються на циліндрах і на порушених в зоні компресійних і маслоз'ємних кілець, а також на спідниці і внутрішніх стінках поршнів. Такі середньотемпературні відкладення погіршують тепловідвід від деталей, що призводить до перегріву двигуна і скорочення його ресурсу. Лакообразованіе в поршневих канавках сприяє залягання кілець.
Нагар - тверді відкладення з вуглецевих з'єднань і золи (неорганічних залишків згоряння палива, присадок і масла). Накопичення саме таких відкладень в термонавантажених зонах: на свічках, клапанах, на днище і бічній поверхні поршнів вище першого компресійного кільця, на стінках камери згоряння і розуміється зазвичай під терміном «закоксовиваніє двигуна».
Інтенсивність утворення нагару в двигуні залежить від якості палива і повноти згорання палива.
Ріс.12.Ізмененіе вмісту смол в автомобільному прямогінний бензин в залежності від температури зберігання: 1-в початковому стані, 2-після місячного зберігання при 15 0 С, 3-після місячного зберігання при 40 0 С
Важкі неіспаряющіеся молекули смол при випаровуванні бензину висаждаются на стінках трубопроводів, в жиклерах, у всмоктуючому колекторі і на впускних клапанах. Велика частина смолистих з'єднань висаждается на початковій стадії випаровування палива на елементах топливоподающей системи, що призводить до падіння потужності і погіршення економічності роботи двигуна, збільшення токсичності відпрацьованих газів.
Кількість відкладень і місце розташування їх в паливній системі залежить від конструктивних особливостей двигуна. Так, введення примусової системи вентиляції картера різко збільшило освіту відкладень в карбюраторі внаслідок наявності в картерних газах крапель олії і продуктів неповного згоряння бензину. Для двигунів з безпосереднім уприскуванням бензину характерно збільшення відкладень на впускних клапанах (в місцях розташування форсунок).
Частина смол, невисадівшіхся у впускному тракті, потрапляє з паливом в циліндри і при подальшому випаровуванні палива висаждается на днище поршня, стінки камери згоряння і бере участь в процесі нагарообразования. Основний же внесок в кількість нагару на робочих поверхнях двигуна вносять продукти неповного згоряння палива.
Необхідними умовами повного згоряння палива в двигуні є:
- випаровування всього палива в робочому обсязі,
- наявність достатнього для згоряння палива кількості кисню в суміші.
Процентне співвідношення палива випаровується на цих трьох стадіях залежить від фракційного складу палива і від величини компресії. Чим більше палива випаровується на перших двох стадіях, тим вище повнота його згоряння, тим ефективніше працює двигун, тим менше знос і забруднення робочих поверхонь.
Паливна апаратура двигунів подає в циліндри повітряно-паливну суміш у вигляді аерозолі - складної дрібнодисперсного системи складається з повітря, газоподібної частини палива та рідких частинок палива. При справному стані апаратури харчування розміри рідких крапель палива, що надходять в циліндри, знаходяться в діапазоні 30 - 200 мікрометрів.
На такті стиснення при підвищенні тиску (і, відповідно, температури) в циліндрі розміри рідких крапель поступово зменшуються внаслідок випаровування все більш важких (з підвищеною температурою кипіння) компонентів палива.
При компресії в бензиновому двигуні 14-15 атм підвищення температури в робочому обсязі внаслідок стиснення перевищує 200 0С. В цьому випадку практично всі молекули бензину випаровуються і переходять в газоподібний стан до моменту підпалу суміші. При меншій величині компресії (і, відповідно, меншому підвищенні температури) частина палива залишається в циліндрі до моменту займання в рідкому стані. Чим нижче компресія, тим більше розмір рідких крапель, що залишаються в надпоршневомупросторі і тим вище концентрація рідкої фази в циліндрі перед початком процесу горіння. Таке збільшення вмісту рідкої фази в суміші сприяє нестабільності займання і зривів процесу підпалу суміші.
Якщо запалення суміші відбулося успішно, то з початком процесу горіння при подальшому підвищенні температури в робочому обсязі знаходяться в повітрі рідкі краплі палива поступово випаровуються, і виділяється шар пара потім бере участь в горінні. При оптимальних розмірах крапель палива горіння їх розтягнуто в часі і триває до закінчення фази розширення, що підвищує крутний момент. Якщо ж краплі надмірно великі, і паливо не встигає вчасно випаруватися і згоріти, тоді (при наявності кисню) горіння триває і на такті випуску в циліндрі, а також у випускній системі.
Процес горіння палива являє собою ряд ланцюгових реакцій, кінцевий підсумок якого визначається співвідношенням атомів вуглецю і водню в пальному і кількістю атомів кисню (окислювача) в суміші. Горюча суміш в двигуні повинна формуватися таким чином, щоб всі молекули палива отримали необхідне "кисневе забезпечення", достатню для завершення процесу окислення вуглеводнів до СО2 і Н2О у фронті полум'я. Якщо кисень закінчується, то "зайві" найбільш важкі компоненти палива не можуть згоріти. При нестачі кисню реакція ланцюгового окислення молекул вуглеводнів затримується на оксиді вуглецю СО, сажі і на ряді недоокислених вуглеводнів СН.
Збагачена паливно-повітряна суміш формується завжди в режимах холостого ходу і при прискореннях - дроселювання (Рис.13).
Ріс.13Завісімость коефіцієнта надлишку повітря від частоти обертання коленвала
Основними причинами постійної роботи двигуна на переобогащенной суміші (при нестачі кисню) є несправності системи живлення (перелив) і знижена компресія. При зменшенні компресії зменшується наповнення циліндрів повітрям через зниження розрідження в робочому обсязі на такті впуску, погіршення очищення надпоршневого простору від відпрацьованих газів, а також зростання процентного вмісту реціркуліруемих картерних газів в подається в циліндри суміші.
У накопиченні незгорілих вуглеводнів в двигуні внутрішнього згоряння і подальшому перетворенні їх в нагар важливу роль відіграють холодні стінки циліндра. В циліндрах бензинових двигунів полум'я, підпалений іскрою свічки, поширюється потім по воздушнотоплівной суміші зі швидкістю 20-40 м / c до поршня і стінок циліндра. Полум'яне горіння палива можливе лише при температурі понад 800 0С. При наближенні ділянки горіння до охолоджуваних стінок циліндра відбувається гасіння полум'я. При цьому випарувалися молекули дифундують від холодних стін в високотемпературну область і згоряють там. Не випарувався, же паливо, а також рідкі продукти неповного згоряння конденсуються на стінці і стікають вниз в зазор циліндр - поршень над першим компресійним кільцем (Рис.14).
Ріс.14Распределеніе температури при горінні і формування нагару на стінках
Подальше переміщення цих відкладень по поверхні поршня і по стінках циліндра визначається в'язкістю компонентів. Найрухоміша частина рідких відкладень (незгоріле паливо) змиває масляну плівку зі стінок циліндра і надходить в картер, розбавляючи моторне масло. В'язкі смолисті сполуки затримуються в поршневих канавках маслос'емних кілець. Найбільш же в'язкі і тугоплавкі відходи (з температурою плавлення понад 300 0С) накопичуються на поршні над верхнім компресійним кільцем. Саме в цих паразитних обсягах - пристінкових кишенях камери згоряння відбувається коксування продуктів неповного згоряння палива з утворенням нагару.
Механічні характеристики відкладень, що накопичуються в пристінкових паразитних обсягах над першим компресійним кільцем, залежать від температури в таких обсягах. Процеси термічного розпаду і коксування вуглеводневих молекул йдуть з помітною швидкістю лише при температурі перевищує 350 0С. При правильно організованому згорянні палива на порушених і робочої частини циліндрів не повинні досягатися температури, при яких інтенсивно протікають процеси коксування вуглеводнів. Ця вимога є основним обмеженням для форсування двигунів за потужністю, з яким доводиться рахуватися розробникам моторів. Тепловий стан деталей циліндропоршневої групи прийнято характеризувати значеннями температури в чотирьох точках (Рис.15).
Ріс.15Характерние теплонапружених точки циліндра і поршня ДВС для дизельних (а) і бензинових (б) двигунів
Величини температур в цих характерних точках деталей циліндропоршневої групи не повинні перевищувати наступні критичні рівні:
- 1. Допустиме значення температури в точці 1 (в дизелях - на кромці камери згоряння, в бензинових двигунах - в центрі денця поршня) не більше 350 0С При перевищенні цієї температури в даній зоні відбувається інтенсивне нагарообразование на порушених, а також можливо оплавлення крайок камер згоряння в дизелях або прогар поршня в бензинових двигунах для всіх серійно застосовуються в двигунобудування алюмінієвих сплавів.
- 2. Значення температури в точці 2 поршня (над верхнім компресійним кільцем) обмежується 250-260 0С (короткочасно до 300 0С). При високих температурах починається ущільнення залишків палива і масла в зоні вичавки, що супроводжується "заляганням" поршневих кілець з втратою їх рухливості.
- 3. Граничне значення температури точки 3 поршня (розташованої симетрично по зрізу головки поршня на внутрішній його стороні) допускається в 220 0С. При високих температурах на внутрішній поверхні поршня відбувається інтенсивне утворення лаків з масла. Лакові відкладення є потужним тепловим бар'єром, що перешкоджає теплоотводу через масло, що неминуче призводить до підвищення температур в усьому обсязі поршня.
- 4. Максимальне допустиме значення температури в точці 4 (на поверхні циліндра напроти місця зупинки верхнього компресійного кільця у верхній мертвій точці) - 200 0С. При високих температурах масло не забезпечує утворення стабільної масляної плівки на дзеркалі циліндра, а значить, буде відбуватися «сухе» тертя кілець по дзеркалу циліндра з механічним спрацюванням деталей циліндропоршневої групи
У міру накопичення відкладень в паразитних обсягах циліндропоршневої групи і при реалізації в таких зонах критичних значень температури (вище 350 0С) в умовах нестачі кисню починається подальша углефікація продуктів неповного згоряння.
Високотемпературні відкладення в двигуні (нагар) складаються з смолистих з'єднань, асфальтенов, важких бітумів (з температурою плавлення понад 500 0С), аморфної сажі, полікристалічного вуглецю (коксу) і золи - неорганічної мінеральної складової. Саме наявність в нагаре золи і полікристалічного вуглецю надає структурну жорсткість цього утворення. Залежно від процентного співвідношення в'язкої складової (смолистих речовин з бітумом) і жорсткої складової (полікристалічного вуглецю і золи) виділяють дві стадії формування нагару:
- на першій більш ранньої або незавершеній стадії в композитної структурі нагару переважають смолисті речовини, і вони є сполучною компонентом, а кокс і зола - наповнювачі. Такий нагар має в'язку консистенцію. На цій стадії для раскоксовиванія двигуна ефективне застосування додаткових миючих присадок до палива і маслу, а також промивних складів і розчинників перед заміною масла.
- на другій стадії нагарообразования скелет нагару формують твердий полікристалічний вуглець (кокс) і нерганіческіе мінеральні компоненти-зола, а смолисті речовини присутні в якості наповнювача в жорсткому каркасі. Коли нагар на поршні досягає такого стану, починається полірування і абразивний знос верхньої частини дзеркала циліндра. Нагар такої консистенції може бути видалений з робочих поверхонь тільки механічним шляхом.
Нагарообразование і знос - два взаємопов'язані процеси, невідворотно погіршують працездатність автомобільних двигунів. На першій стадії формування нагару компресія може підвищуватися в результаті зменшення обсягу камери згоряння (збільшення ступеня стиснення), а також через погіршення тепловідведення від робочого об'єму. При подальшій експлуатації двигуна утворився твердий нагар на бічній поверхні поршня, досягнувши товщини в десятки мікрометрів, призводить до полірування і абразивного зносу найбільш вразливою верхній частині циліндра. Далі цей процес розвивається лавиноподібно. Знос циліндрів веде до зниження компресії і, відповідно, зменшення повноти згоряння палива. В результаті збільшується кількість залишених в робочому обсязі проміжних продуктів горіння, а значить, прискорюється процес закоксовиванія двигуна.
Нагар завжди утворюється в двигуні при його роботі. Частина нагару вимивається і надходить в масло, частина його згорає, а деяка частина поступово наростає на робочих поверхнях. Накопиченню нагару сприяють несправність паливної апаратури, часта їзда на непрогрітому двигуні з невеликим навантаженням на малих обертах, застосування утяжеленного за фракційним складом палива в двигунах з низькою компресією.
Щоб нагар не досяг критичних розмірів і міцності, при яких альтернативи розбиранні двигуна вже не існує, необхідно застосовувати миючі присадки до палива, використовувати якісні моторні масла зі своєчасною їх заміною, стежити за справністю паливної апаратури, а також підтримувати номінальну величину компресії в циліндрах.