Причины обводнения моторного масла в эксплуатации

(Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного университета (МАДИ) №1(28) 2012, - М.; МАДИ, С. 63-67)

Введение

В последнее время участились случаи выхода из строя двигателей автомобилей, вызванные потерей работоспособности моторных масел. Лабораторный анализ отдельных образцов смазочных материалов, проведенный в Испытательной лаборатории МАДИ-ХИМ, наряду со снижением щелочного числа, ухудшением вязкостно-температурных свойств моторных масел выявил в масле значительное количество воды: до 3…4 % при допустимом содержании воды в свежем масле 0.03%, в работавшем - до 0.5% воды [1].

Установлено, что проблема обводненности моторного масла проявляется в большей степени при эксплуатации автомобилей в зимнее время.

Представители автосервиса причинами изменения  физико-химических свойств моторного масла считают:

- низкое качество смазочных материалов;

- неграмотные действия (ошибки) владельцев автомобилей при доливке эксплуатационных жидкостей;

- тяжелые условия эксплуатации автомобилей.

Вода в моторном масле

Существует три пути попадания воды в масло:

- конденсат из воздуха;

- вода, попадающая в двигатель при сгорании топлива;

- вода, проникающая в систему смазки из системы охлаждения двигателя.

Не надо обладать глубокими техническими знаниями, чтобы понять, что если охлаждающая жидкость попадет в масло – это не пройдет незамеченным для автовладельца:

- недостаток охлаждающей жидкости вызовет перегрев двигателя и инициализацию контрольных ламп на панели приборов автомобиля;

- повысится уровень масла в двигателе;

- образуется эмульсия в поддоне картера двигателя;

- в систему смазки будет подаваться смесь моторного масла и охлаждающей жидкости, которая, не обеспечив необходимых смазывающих свойств, вызовет интенсивный износ и последующие стук и задиры деталей двигателя.

Рассмотрим возможные пути попадания воды в моторное масло при рядовой эксплуатации автомобиля.

Вода как продукт конденсации влаги воздуха

Рассчитаем массу воды, попадающей в моторное масло из воздуха. Относительная влажность окружающего воздуха обычно колеблется в диапазоне от 60 до 85%.

Относительная влажность окружающего воздуха представляет собой отношение парциального давления водяного пара к равновесному давлению насыщенного пара:

RH=(p/p*)∙100%,

где   RH – относительная влажность,

p – парциальное давление водяного пара, Па;

p* - равновесное давление насыщенного пара, Па.

Приводя к весовым единицам, относительная влажность - это отношение массовой доли влаги в воздухе к максимально возможному ее значению при данной температуре:

RH=(f/f_max)∙100%,

где     f – массовая доля влаги в воздухе, г/м³;

f_max – максимально возможное содержание влаги в воздухе, г/м³.

В табл.1 приведены значения максимальной абсолютной влажности при различных температурах окружающего воздуха [3].

Рассчитаем, сколько влаги попадет в рабочую смесь из воздуха.

При стехиометрическом сгорании, характерном для большинства современных автомобилей, на окисление 1 кг топлива требуется 14,7 кг воздуха.

 Таблица 1

Максимальная абсолютная влажность при различных температурах

 Таблица 2

Плотность воздуха при различных температурах окружающего воздуха

 Таблица 3

Массовое содержание влаги в воздухе и масса воды, попадающая в двигатель из окружающего воздуха при сгорании 1 кг бензина

 Для перевода из объемных единиц в массовые, воспользуемся плотностью воздуха (табл. 2) [4] и рассчитаем количество воды в 1 кг воздуха:

k_max=f_max/ρ, (г/кг),

где k_max – массовое содержание влаги в воздухе, г/кг.

Теперь, умножив k_max на стехиометрический коэффициент, узнаем, сколько воды попадет в двигатель в процессе сгорания 1 кг топлива. Все результаты представим в табл.3.

Таким образом, в зависимости от температуры при сгорании 1 кг бензина в двигатель из окружающего воздуха попадает от 0,009 до 0,384 кг воды.

Вода, попадающая в двигатель при сгорании топлива

И бензин, и дизельное топливо являются смесью различных углеводородов. Групповой состав предполагает наличие в бензине: предельных (алкановых), непредельных (алкеновых), циклических (циклоалкановых), в т.ч. с алкильными цепями, ароматических (ареновых) и ряда других углеводородов. Рассмотрим полное сгорание углеводородного топлива. Для этого составим уравнения химических реакций для различных групп углеводородов.

Предельные углеводороды имеют общую формулу C_nH_2n+2. Уравнения реакций сведем в табл.4. Для расчета содержания воды составим пропорцию:

         M_HC, г/моль   – K∙M_воды, г/моль

         m_HC, кг          –   m_воды, кг,

где    M_HC г/моль – молярная масса углеводорода;

K – количество молей воды;

M_воды = 18 г/моль – молярная масса воды;

m_HC,– масса сгоревших углеводородов, принятая для расчета m_HC, = 1 кг;

m_воды, кг – масса воды, образовавшаяся в результате сгорания бензина, кг.

Тогда m_воды = K∙18 / M_HC.

Общий вид уравнения реакции горения предельных углеводородов:

C_nH_2n+2 + 0.5 (3n+1)O₂ = nCO₂ + (n+1)H₂O,

M_HC = 12n+1(2n+2) = 14n+2, г/моль,

K = n+1,

m_воды=(n+1)∙18 / (14n+2) = (9n+9) / (7n+1), кг.

Результаты расчета для газообразных и жидких насыщенных углеводородов сведем в табл.4.

При сгорании углеводородов с большей длиной цепи выделяется меньше воды (рис. 1). Причем в бензине преобладают углеводороды с длиной цепи С₆…С₉, в т.ч. изомеризованных структур. При сгорании 1 кг таких углеводородов выделится от 1,406 до 1,465 кг воды.

Уравнение реакции горения непредельных углеводородов:

C_nH_2n + 1.5nO₂ = nCO₂ + nH₂O

Подставим в пропорцию для определения количества воды значения, характерные для этой реакции:

M_HC = 12n+1∙2n = 14n, г/моль

K = n

m_воды = n∙18 / 14n = 9 / 7 ≈ 1,286 кг.

Следовательно, независимо от длины цепи непредельных углеводородов при их сгорании выделится одинаковое количество воды, равное 1,286 кг.

Таблица 4

Расчет содержания воды, выделяющейся при сгорании 1кг углеводородного топлива

Рис. 1. Масса воды, выделившейся в результате сгорания различных углеводородов

Таблица 5

Расчет содержания воды при сгорании 1кг углеводородов