От температуры охлаждающей жидкости

Оптимальным температурам охлаждающих жидкостей и масел соответствуют оптимальные значения температур поверхностей теплонагруженных деталей. При их  превышении может произойти оплавление алюминиевых деталей, образующих камеру сгорания, интенсифицируются процессы коксования моторных масел, образования лаковых отложений на поверхностях и т.д. Из-за разжижения масел повышаются износы цилиндров, растет токсичность отработавших газов по выбросам оксида азота NO_x.

При пониженных температурах стенок поршней и цилиндров интенсифицируются процессы их коррозионно-механического изнашивания, так как на поверхностях конденсируются пары воды и кислот, образующихся в отработанных газах. Оксиды в дальнейшем очень быстро истираются, поскольку их износостойкость существенно ниже износостойкости основных материалов деталей двигателя (например, износостойкость чугуна СЧ 24-44 зеркала цилиндра в 19 раз выше износостойкости соответствующего оксида чугуна). Увеличение износов при этом объясняется также тем, что холодные моторные масла не образуют на трущихся поверхностях масляных пленок должного качества [4,13].

Одним из основных резервов повышенных показателей эксплуатационной надежности ДВС является снижение отложений (нагаров, лаков и осадков) на поверхностях деталей. В основе их образования лежат процессы старения моторных масел, а именно, процессы окисления углеводородов, входящих в состав масляной основы.

Определяющее влияние на процессы окисления масла в двигателях, образование  отложений  и  на  эффективность  работы ДВС в целом оказывает тепловой режим теплонагруженных деталей. Оптимизация теплового состояния  является  одним  из  важнейших  условий  длительной  и  бесперебойной работы ДВС [13].

Отложения на поверхностях деталей ДВС делятся на три основных вида: нагары, лаки и осадки (шламы) [14,15].

Нагар – твердые углеродистые вещества, откладывающиеся во время работы двигателя на поверхностях камеры сгорания. В состав нагара входят продукты окисления углеводородов (смолы, асфальтены, карбены, карбоиды), а также так называемая несгораемая часть – свинец, железо и другие механические примеси. При этом отложения нагаров в камерах сгорания главным  образом зависят от температурных условий, даже при аналогичном составе смеси и одинаковой конструкции деталей камеры сгорания двигателей. Нагар оказывает весьма существенное влияние на протекание рабочего процесса и  на долговечность его работы. Почти все виды ненормального сгорания (детонация, калильное зажигание и прочие) сопровождаются тем или иным влиянием нагара на поверхностях камеры сгорания.

Лак – продукт изменения (окисления) тонких масляных пленок, растекающихся и покрывающих детали двигателя под действием высоких температур. Лаковые отложения – продукт концентрации оксикислот. В состав лака входит углерод (до 80%), кислород, водород и твердые несгораемые соединения (зола). Наибольший вред наносит лакообразование в зоне поршневых  колец, вызывая процессы их закоксовывания. Лаки, также откладываясь на поверхностях поршня, контактирующих с маслом, нарушают нормальную  теплопередачу через поршень в систему охлаждения.

Осадки (шламы) – низкотемпературные мазеобразные отложения, представляющие собой смесь продуктов окисления углеводородов с продуктами загрязнения моторного масла эмульсиями и водой. На количество осадков  решающее влияние оказывают качество масла, температурный режим деталей, конструктивные особенности двигателя и условия эксплуатации. Отложения этого типа наиболее характерны для условий зимней эксплуатации, а также при частых пусках и остановках двигателя. При температурах масел от 150°С и выше процессы окисления происходят очень интенсивно. Когда температура превышает 300°С, одновременно с реакциями окисления происходит термическое разрушение углеводородов масел. В результате окисления и термического распада в маслах интенсивнее накапливаются органические кислоты, смолисто-асфальтовые вещества, углеродистые продукты (карбены, карбоиды и др.).

Таким образом, определяющее влияние на процесс образования различных отложений, а также на прочностные показатели деталей, эффективные показатели, процессы изнашивания деталей оказывает их тепловое состояние. Не менее важное влияние на образование отложений в ДВС оказывают и характеристики применяемого моторного масла. Для каждого конкретного двигателя важно соответствие рекомендованного заводом-изготовителем масла температуре поверхностей деталей, контактирующих с ним.

Для исследования зависимостей количественных характеристик отложений в двигателях от их теплового состояния и условий работы можно использовать различные методики, например Л-4 (Англия), 344-Т (США), ПЗВ (СССР) и др. В частности, по методике 344-Т, являющейся нормативным документом США, состояние «чистого» неизношенного двигателя оценивается в 0 баллов; состояние предельно изношенного и загрязненного двигателя в 10 баллов. Указанная методика аналогична отечественной методике отрицательной оценки отложений ВНИИ НП (10 балльная шкала) [15].

Для экспериментальных исследований использовались по 10 двигателей ЗМЗ-402.10 и ЗМЗ-5234.10. Эксперименты по исследованию процессов образования отложений проводились совместно с лабораториями испытаний легковых и грузовых автомобилей УКЭР ГАЗ на моторных стендах. При этом выдерживались режимы: ЧВКВ, соответствующая максимальной мощности (100% нагрузки), и, поочередно, в течение 3,5 часов – 70% нагрузки, 50% нагрузки, 40% нагрузки, 25% нагрузки и без нагрузки (при закрытых дроссельных заслонках), т.е. эксперименты проведены по нагрузочным характеристикам двигателей. Температура охлаждающей жидкости выдерживалась в интервале 90-92°С, температура масла в главной масляной магистрали – 90-95 °С. После экспериментов двигатели разбирались и производились необходимые замеры.

Нагарообразование на поверхностях днищ поршней двигателей ЗМЗ-5234.10, которыми комплектуются автобусы ПАЗ-3205, характеризовалось данными, представленными на рис. 5.5 (для двигателей ЗМЗ-402.10 результаты подобны).

Рис. 5.5. Зависимости нагарообразования на поверхностях днищ поршней