|
|
Причины обводнения моторного масла в эксплуатации
Хазиев А.А., кандидат технических наук, доцент Лаушкин А.В., инженер-ассистент
(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/fmax)∙100%, где f – массовая доля влаги в воздухе, г/м3; fmax – 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: kmax=fmax/ρ, (г/кг), где kmax – массовое содержание влаги в воздухе, г/кг. Теперь, умножив kmax 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 CnH2n+2. Уравнения реакций сведем в табл.4. Для расчета содержания воды составим пропорцию: MHC, г/моль – K∙Mводы, г/моль mHC, кг – mводы, кг, где MHC г/моль – молярная масса углеводорода; K – количество молей воды; Mводы = 18 г/моль – молярная масса воды; mHC,– масса сгоревших углеводородов, принятая для расчета mHC, = 1 кг; mводы, кг – масса воды, образовавшаяся в результате сгорания бензина, кг. Тогда mводы = K∙18 / MHC. Общий вид уравнения реакции горения предельных углеводородов: CnH2n+2 + 0.5 (3n+1)O2 = nCO2 + (n+1)H2O, MHC = 12n+1(2n+2) = 14n+2, г/моль, K = n+1, mводы=(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: CnH2n + 1.5nO2 = nCO2 + nH2O Подставим в пропорцию для определения количества воды значения, характерные для этой реакции: MHC = 12n+1∙2n = 14n, г/моль K = n mводы = 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
Рассмотрим сгорание углеводородов в общем виде. CnHm+ 0.5(2n+0.5m)O2 = nCO2 + 0.5mH2O Для расчета образовавшейся воды запишем в общем виде следующие величины: MHC = 12n+m, г/моль, K = 0.5m И подставим их в пропорцию: mводы = 0.5m∙18 / (12n+m), кг. Рассчитаем образование воды при сгорании веществ, входящих в состав бензина в незначительном количестве. Так, например, содержание полициклических ароматических углеводородов ограничено экологическими стандартами, а углеводороды с тройными связями, ряда ацетилена, являются нестабильными. Уравнения реакций, промежуточные и окончательные результаты сведем в табл.5. Анализируя сгорание различных классов углеводородов можно сделать следующие выводы: - образование воды уменьшается при сгорании более длинных предельных углеводородов; - образование воды остается постоянным при сгорании моноциклических углеводородов с различной длиной алкильной цепи или углеводородов с двойной связью; - образование воды увеличивается при сгорании более длинных углеводородов с двумя двойными или тройной связями; - минимальное количество воды образуется при сгорании полициклических ароматических углеводородов; - максимальное количество воды образуется при сгорании газа метана, а также других газов, включающих в себя предельные углеводороды. Таким образом, количество воды уменьшается при увеличении соотношения углерод-водород в молекуле сгорающего топлива. При сгорании 1 кг бензина в зависимости от его состава выделяется 1,286…1,465 кг воды. Прорыв отработавших газов в картер двигателя Представленные расчеты показывают, что влага, конденсирующаяся из атмосферы вносит минимальный вклад (0,6…3.8% - в интервале температур 0….-20оС) по сравнению с водой, выделяющейся при сгорании топлива. Независимо от того, откуда взялась влага, в масло она попадает через цилиндро-поршневую группу двигателя. Вместе с тем, не вся вода попадает в масло. Для исправного двигателя количество прорывающихся газов в картер в зависимости от модели двигателя составляет 16…28 л/мин [2]. Замеры при этом проводят на динамометрическом стенде при полной нагрузке и максимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя. В таких режимах расход топлива достигает 20 л/ч. Всего же при сгорании 1 л бензина выделяется 16 м3 или 16∙103 л отработавших газов. За час работы двигателя выделится до 320 тыс. л отработавших газов. Из них 960…1680 л попадает в картер двигателя, что составляет 0,3…0,53%. Вода попадает в масло в таком же соотношении. И при сгорании 1 кг бензина в картере окажется 3,86…7,76 г воды. Попадая в холодное масло, вода конденсируется. Испарение воды и отвод ее с картерными газами будет активно происходить, если масло прогреется до температуры двигателя, близкой к 100°С. В противном случае вода накапливается, удерживаемая в состоянии эмульсии диспергирующими присадками масла. Городской режим эксплуатации предполагает короткие пробеги автомобиля с частыми остановками и пусками двигателя. Двигатель часто не успевает прогреваться, а зимой масло дополнительно охлаждается в поддоне картера набегающим потоком холодного воздуха. В этих условиях вода не испаряется, а накапливается в поддоне картера двигателя. Попадая в узел трения, она разрывает масляную пленку, в результате чего происходит контакт трущихся металлических поверхностей деталей двигателя. Коленчатый вал, шатунные и коренные вкладыши, цилиндро-поршневая группа, кулачки и опоры распределительного вала, толкатели и др. работают в условиях, сопровождающихся интенсивным износом и задирами. Выводы Проведенный анализ причин попадания воды в моторное масло в процессе эксплуатации автомобиля и количественная оценка, сделанная на основе построения уравнений химических реакций окисления углеводородов, позволили установить:
Список литературы
|
|
