Колода А.В., Маркин Д.А.
К ВОПРОСУ АНАЛИЗА УСЛОВИЙ РАБОТЫ МОТОРНОГО МАСЛА В ДВС *
Аннотация:
статья посвящена комплексному анализу условий работы моторного масла в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Исследованы экстремальные эксплуатационные факторы, включая температурные режимы (до 3500°С в камере сгорания), механические нагрузки (до 2100 МПа) и скорости скольжения (до 16 м/с), оказывающие критическое влияние на характеристики смазочного материала. Особое внимание уделено анализу деградационных процессов масла: окислению, испарению, крекингу и образованию отложений под воздействием высоких температур. Рассмотрены основные источники загрязнения масла (продукты износа, вода, топливо, охлаждающая жидкость) и их влияние на эксплуатационные свойства. Приведены предельно допустимые значения содержания загрязняющих веществ и оптимальные параметры работы системы смазки.
Ключевые слова:
моторное масло, ДВС, условия эксплуатации, температурные режимы, загрязнение масла, деградация масла, система смазки, износ деталей
В большинстве автомобильных двигателей внутреннего сгорания детали кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов смазываются подачей моторного масла под давлением, разбрызгиванием и масляным туманом. В процессе работы более сотни сопрягаемых деталей двигателя, совершают возвратно-поступательные и вращательные и движения [1]. Суммарная площадь контактных поверхностей этих деталей составляет около 300 см2 (в зависимости от модели двигателя). Условия работы контактирующих деталей различаются по скоростным, температурным, нагрузочным другим параметрам, величины которых, для основных сопряженных пар, представлены в таблице 1.Таблица 1. Величины максимальных удельных нагрузок (Р) и скорость перемещения (V) для основных сопряженных пар ДВС.Из данных таблицы 1 видно, что поршневые кольца оказывают давление на стенки цилиндра в пределах 4 – 6 МПа при скорости скольжения от 0 до 15 м/с [13]. Давление в зоне трения «вкладыши – шейка коленчатого вала» варьируется в интервале от 20 до 30 МПа. Для пары «кулачок - толкатель» газораспределительного механизма характерно давление в интервале 500 – 700 МПа, а в отдельных случаях может достигать до 1200 – 2100 МПа при скорости скольжения 2 – 3 м/с. Все эти факторы оказывают значительное влияние на процессы изменения свойств моторного масла и протекают, в основном, в камере сгорания, на днище поршня и в зоне работы поршневых колец. Высокая температура в камере сгорания (свыше 1000оС) активирует процессы испарения и выгорания моторного масла, его термического разложения и окисления, а также, происходит образование продуктов неполного сгорания масла. На рисунке 1 представлены критические значения температуры характерных точек цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателя внутреннего сгорания.Рисунок 1. Характерные точки цилиндра и поршня ДВС при анализе их температурного состояния для дизельных (а) и бензиновых (б) двигателей.Из литературных источников известна следующая информация о температурах в точках двигателя.Температура в точке 1 (в дизельных двигателях – на кромке камеры сгорания, в бензиновых – в центре днища поршня) может достигать 3500℃ (кратковременно, 3800℃). В точке 2 поршня – над верхним компрессионным кольцом, критическое значение температур находится в диапазоне 250…2600℃ (кратковременно может увеличиваться до 2900℃), [7]. Максимальное значение температуры в точке 3 поршня (расположена симметрично по сечению головки поршня на внутренней его стороне) может достигать 220℃ В точке 4 (расположена на поверхности цилиндра, напротив места остановки верхнего компрессионного кольца в верхней мертвой точке (ВМТ) температура может достигать до 2000℃ [7]. Температура в зоне верхнего поршневого кольца может составлять до 300°С [2].При превышении представленных значений температур вязкость моторного масла снижается, происходит интенсивное лакообразование, что влечет потерю стабильности образования смазывающей масляной пленки на поверхности трения, происходят процессы испарения масла, крекинг, полимеризация и окисление. Тяжелые условия работы и у деталей газораспределительного механизма (ГРМ) двигателя. Температура масла в зазоре выпускного клапана может достигать 375°С. Высокая температура масла в паре «выпускной клапан - направляющая втулка» приводит к снижению его вязкости, ухудшению смазочных свойств, испарению масла, коксованию, полимеризации и окислению.Работа пар кулачков с толкателями или рычагами привода клапана связана с большими удельными нагрузками, а также со значительными скоростями скольжения кулачка по толкателю или рычагу. В этом месте необходимо эффективное смазывание, так как напряжение в месте контакта на поверхности кулачка достигает от 500 до 1200 МПа [11].Для минимизации износа деталей двигателя в системе смазки необходимо поддерживать оптимальное давление Р = 0,25 – 0,35 МПа [1]. При снижении давления масла температура поверхности антифрикционного слоя вкладышей возрастает. При этом одновременно уменьшается вязкость масла, поскольку снижается количество прокачиваемого через них масла. При повышении давления увеличивается кратность циркуляции масла, при этом возрастает механическая деструкция и увеличивается обогащение кислородом воздуха углеводородных молекул масла [1].Система смазки современных двигателей является циркуляционной. Масло под давлением подается практически во все подшипники скольжения [4]. К остальным трущимся поверхностям масло подается разбрызгиванием. Модели современных двигателей характеризуются уменьшенным объемом масляной системы, увеличенной производительностью масляных насосов и кратностью циркуляции масла, что приводит к росту маслонапряженности. В таких условиях масло активно подвергается механической, химической и термодинамической деструкции, что приводит к повышению скорости его окисления [9, 10]. В таблице 2 представлены значения рабочих температур масла в картере двигателя при различных скоростях движения транспортного средства.Таблица 2. Температура масла в картере двигателя в зависимости от условий движения транспортного средства.Оптимальное значение температуры картерного масла для большинства автомобильных двигателей составляют 80 – 90оС [5]. При понижении температуры масла происходит смывание масляной пленки образующейся топливной эмульсией. При температуре охлаждающей жидкости ниже оптимальной (85-950С) в картерное масло попадают сконденсированные водяные пары, которые вызывают интенсивную коагуляцию примесей и гидролиз присадок масла. Напротив, при высоких тепловых режимах работы двигателя, когда температура масла приближается к 120оС, происходит интенсивное окисление масла и находящихся в нем продуктов неполного сгорания топлива, а также утрачиваются свойства присадок масла.В процессе работы в двигателе в масло попадают: вода, продукты износа трущихся деталей двигателя, топливо, охлаждающая жидкость, продукты сгорания топлива [10]. В таблице 3 приведен состав загрязняющих примесей в работавшем моторном масле [14]. Согласно представленным в таблице 3 данным, 90% всех примесей в работавшем масле составляют углеродистые соединения.Таблица 3. Состав загрязняющих веществ в работавшем моторном масле.Неустановившиеся режимы работы автомобиля характеризуются изменением крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала [5]. При неустановившихся режимах движения автомобиля интенсивность изнашивания верхних поршневых колец повышается в 2,5 – 3,5 раза, поршней в 1,2 – 2,5 раза и износ подшипников коленчатого вала увеличивается на 40 – 80%. Продукты износа двигателя, попадая в картерное масло, засоряют масляный фильтр, препятствуя нормальной его циркуляции по системе смазки, и увеличивают абразивный износ деталей двигателя [5]. Попадание воды в моторное масло при работе двигателя возможно вследствие конденсации паров продуктов сгорания топлива. При наличии в масле воды процессы окисления углеводородов интенсифицируются, повышается скорость образования отложений, снижаются диспергирующие и моющие свойства, увеличиваются коррозионность и износ деталей ДВС [12]. Содержание воды в моторных маслах не должна превышать 0,5% [3,8].Попадание в моторное масло охлаждающих жидкостей негативно влияет на его эксплуатационные свойства. Предельно допустимое содержание охлаждающих жидкостей в картере двигателя не должно превышать 0,2 – 0,3% от объема масла [6]. Моторное масло, загрязненное охлаждающей жидкостью, не снижает трение и не уменьшает износ деталей, так как в картере двигателя образуется стойкая эмульсия, которая обуславливает более высокие значения коэффициентов и моментов трения, и, как следствие, создает более жесткие условия трения для рабочих поверхностей деталей и вызывает повышенный расход топлива.Абразивные загрязняющие примеси (дорожная и полевая пыль), поступают в двигатель при его эксплуатации через впускной тракт вместе с поступающим в цилиндр воздухом и топливом, сапун принудительной вентиляции картера, через различные неплотности в соединениях спускного тракта и картера.Температура окружающего воздуха оказывает на режим работы моторного масла существенное значение. В зависимости от времени года и района работы автомобиля температура масла колеблется в довольно широких пределах (от -35…-45оС и ниже до +45оС и выше) [13].Все вышеперечисленные факторы оказывают существенное влияние на процесс старения моторного масла в двигателях внутреннего сгорания и приводят к интенсивному изменению его физико-химического и углеводородного состава и, как следствие, к ухудшению смазки трущихся узлов, снижению надежности работы двигателя.
Номер журнала Вестник науки №5 (86) том 4
Ссылка для цитирования:
Колода А.В., Маркин Д.А. К ВОПРОСУ АНАЛИЗА УСЛОВИЙ РАБОТЫ МОТОРНОГО МАСЛА В ДВС // Вестник науки №5 (86) том 4. С. 1595 - 1604. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/23470 (дата обращения: 17.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+