Диагностирование по показателям работавшего масла

Одним из наиболее эффективных методов технического диагностирования двигателей внутреннего сгорания является диагностирование по показателям работающего картерного (моторного) масла. К основным его преимуществам относится высокая информативность, возможность раннего обнаружения неисправностей двигателя без остановки транспортного средства и разборки двигателя, установление необходимости своевременной замены масла, предотвращение отказов в двигателе из-за повышенного загрязнения и износа деталей. Данный метод широко применяется при диагностировании двигателей различного назначения (стационарных, судовых и автомобильных) и имеет высокую технико-экономическую эффективность. За рубежом анализ моторных масел выполняют специализированные лаборатории или компании, Собственными лабораториями, занимающимися диагностированием двигателей по параметрам масла располагают нефтеперерабатывающие компании Мобил Ойл, Тексако, Галф Ойл, Шелл и другие. [ 1 ].

Моторное масло при работе в двигателе претерпевает существенные изменения - старение. Старение масла происходит из-за прямого взаимодействия с газообразными, жидкими и твердыми продуктами загрязнения (продукты неполного сгорания топлива, и износа деталей двигателя, атмосферная пыль, охлаждающая жидкость и т.д.). Помимо этого, повергаясь воздействию высоких температур, масло интенсивно окисляется, полимеризуется и коксуется. Продукты, образующиеся в результате всех этих процессов, накапливаются в масле и приводят к значительному изменению его свойств.

Следовательно, работающее масло является носителем комплексной информации о работе двигателя с точки зрения износа пар трения, развивающихся дефектов отдельных деталей или узлов двигателя, отклонений в протекании рабочего процесса, работоспособности смазочной системы, топливоподачи, охлаждения, фильтрации воздуха и т.п. На рис. 1 приведена принципиальная схема взаимосвязи между показателями свойств масла (диагностическими параметрами) и техническим состоянием двигателя. В следующем разделе рассмотрено изменение этих показателей в процессе работы двигателя, даны примеры их использования в качестве диагностических параметров, а также методы их определения.

1. Показатели масла, характеризующие техническое состояние двигателя (диагностические параметры).

Содержание продуктов износа в масле. Двигатели на 70-80% выходят из строя по причине износа деталей. Основными изнашивающимися деталями являются поршни, поршневые кольца, гильзы цилиндров, коленчатые и распределительные

валы, вкладыши подшипников скольжения, толкатели и другие. При нормальной эксплуатации изнашивание большинства приработанных пар трения имеет линейный характер. При возникновении дефекта в паре трения, связанного с ее

Рис.1 Принципиальная схема взаимосвязи между показателями свойств масла и

техническим состоянием двигателя

прогрессирующим износом, интенсивность нарастания, а также количественное содержание в масле металлов, характерных для данной пары, резко увеличивается. Благодаря периодическому отбору проб масла из картера двигателя своевременное обнаружение повышения концентрации элементов износа позволяет предотвратить более значительное повреждение деталей и выход двигателя из строя.

Таким образом, содержание продуктов износа деталей двигателя в масле является ценным диагностическим параметром, позволяющим качественно и количественно оценить износ отдельных деталей или узлов двигателя [ 2 ].

Наибольшее распространение в практике диагностирования ДВС для определения содержания продуктов износа получил спектральный анализ масла. Преимущество спектрального анализа заключается прежде всего в его высокой информативности и быстродействии при выдаче результатов. Современные модели спектрометров позволяют контролировать динамику износа практически всех деталей двигателя. В настоящее время наибольшее распространение получили два метода спектрального анализа масел: эмиссионный и атомно-абсорбционный, При диагностировании применяются приборы, использующие оба метода.

Спектральный анализ позволяет определить как количественную сторону развивающегося дефекта в паре трения по изменению концентрации продуктов износа, так и качественную, то есть определить, какой именно метал находится в масле и какой кинематической паре он принадлежит. Спектральный анализ позволяет определить также пыль (по концентрации кремния), поступающую в двигатель воздухом, и охлаждающую жидкость проникающую в масло через уплотнения. В таблице 1 приведены элементы-индикаторы износа деталей современных автотракторных двигателей.

Современные модели спектрометров позволяют определить до 25 элементов индикаторов износа деталей, пыли, антифриза и концентрации присадок масла. В

практике диагностирования ДВС применяются приборы, обладающие чувствительностью от 10^-4 до 10^-6 % [ 3 ].

В России наибольшее распространение получили спектрометрические приборы модельного ряда МФС (производства ЛОМО), в которых применен метод вращающегося электрода, обладающий сравнительно малой трудоемкостью и быстротой проведения анализа с приемлемой для целей диагностирования чувствительностью.

Однако спектральный анализ не решает всех проблем диагностирования ДВС.

Некоторые неисправности систем и узлов двигателя, вызывающие ухудшение топливоподачи, процесс сгорания, уплотнения поршней в цилиндрах, загрязнение

деталей, могут вначале не проявляться в увеличении интенсивности изнашивания, но затем отразиться на двигателе в виде аварийных интенсивностей изнашивания и задиров. Поэтому для более полного представления о техническом состоянии двигателя необходим комплексный физико-химический анализ масла [4].

Таблица 1

Элементы-индикаторы, характеризующие состояние деталей двигателей

Элемент-индикатор	Изменение состояния двигателя, характеризуемое появлением элементов-индикаторов в масле
Железо	Износ гильз цилиндров, шеек коленчатого вала, подшипников качения, зубьев шестерен и др.
Алюминий	Износ поршня, антифрикционного слоя подшипников скольжения, попадание пыли из воздуха и др.
Свинец, медь	Износ и выкрашивание подшипников скольжения
Олово	Износ подшипников скольжения, поршневых колец и др.
Хром, молибден	Износ поршневых колец
Кремний	Попадание пыли из воздуха
Никель	Износ подшипников качения, клапанов и др.
Магний	Попадание воды в масло

Примеси, загрязняющие масло.В процессе работы в ДВС в масле накапливаются нерастворимые продукты загрязнения.Кроме продуктов износа деталей, пыли воздуха и продуктов разложения металлсодержащих присадок (неорганическая ли несгораемая часть примесей), в масле накапливаются также нерастворимые продукты, образующиеся в результате поступления сажи и других продуктов сгорания топлива, а также окисления и термоокислительной деструкции самого масла (органическая или сгораемая часть примесей).

Интенсивность накопления и количество примесей в масле определяется собственными его свойствами, тепловым режимом работы двигателя, качеством топлива и эффективностью его сгорания, герметичностью камеры сгорания, эффективностью системы фильтрации масла и рядом других факторов.

Таким образом, количественное содержание загрязняющих примесей в масле и их качественный состав являются параметром, несущим информацию о техническом состоянии двигателя, работоспособности его отдельных систем и пригодности самого масла. Однако этот показатель не обладает однозначностью, так как на процесс накопления примесей оказывает влияние большое количество факторов. Например, при применении масел с высокими диспергирующими свойствами, накопление в них примесей не отражает работоспособности масла до тех пор, пока фильтр не забит отложениями, а масло сохраняет запас щелочности и

диспергирующих свойств [4].

Для оценки загрязнения масла применяются методы определения содержания примесей путем фильтрации раствора масла бензине или других растворителях через бумажные или мембранные нитроцеллюлозные фильтры. Используются также методы, основанные на центрифугировании масла в растворе легких нефтяных растворителях. Для целей диагностирования наиболее пригодны фотометрические

методы определения нерастворимых примесей, позволяющие вести не только систематический контроль накопления в масле нерастворимых примесей, но и оценивать работу системы фильтрации, качество рабочего процесса двигателя, диспергирующую способность различных марок масла. Преимуществом фотометрического метода является быстрота проведения анализа.

Диспергирующие свойства масла.Техническое состояние двигателя оказывает влияние не только на общее количество накопленных в масле примесей, но и их размеры, дисперсный состав, способность откладываться на деталях. Диспергирующая способность масла является одним из его важнейших эксплуатационных показателей, обеспечивающих чистоту двигателя и надежность его работы, а также сроки службы масел. Чем интенсивней процессы окисления масла и накопления в нем примесей, тем быстрее происходит «срабатывание» диспергирующих присадок. Проникновение в масло охлаждающей жидкости, неисправности в работе агрегатов очистки масла, ухудшение распыливания топлива форсунками и ряд других неисправностей существенно снижает запас диспергирующих свойств. Следовательно, запас диспергирующих свойств, характеризующий степень старения масла является ценным диагностическим параметром, влияющим, кроме того, на техническое состояние двигателя.

Наиболее распространенным методом оценки диспергирующих свойств является метод бумажной хроматографии. Сущность метода заключается в нанесении на фильтровальную бумагу капли работавшего масла и определения величины и характера пятна, получаемого после его впитывания. По этому методу на хроматограмме (рис.2) различают центральное ядро, соответствующее расплыву капли масла на поверхности фильтровальной бумаги, краевую зону, а также зону диффузии, то есть кольцо очерченное нерастворимыми в масле продуктами загрязнения вокруг ядра. Чем больше площадь диффузии, тем выше оценивается диспергирующая способность (ДС) масла. Количественная оценка ДС производится по площади зоны диффузии на хроматограмме по выражению:

ДС = 1 – d ²/ D ² (условных единиц)

где d – средний диаметр центрального ядра, мм

D – средний диаметр внешнего кольца зоны диффузии, мм

При значении ДС=1 масло полностью сохраняет запас диспергирующих свойств, при ДС=0 запас исчерпан. Неудовлетворительными считаются ДС 0,3-0,35 усл.единиц.

Рис.2 Хроматограмма капли работав-

шего масла

Щелочность масла.Щелочность один из наиболее важныхпоказателей качества моторных масел, оказывающих значительное влияние на надежность и долговечность двигателей. Запас щелочности особенно важен для масел, прдназначенных для форсированных двигателей, где процессы окисления протекают интенсивно и образуется большое количество кислых соединений. «Срабатывание» присадок, то есть уменьшение щелочности масла при работе в двигателе происходит в результате одновременного действия многих факторов. Происходит нейтрализация щелочными присадками кислых продуктов, накапливающихся в масле за счет его окисления и сгорания топлива, разложение щелочных присадок под воздействием высоких температур, взаимодействие щелочных присадок с другими, находящимися в масле.

Кроме щелочности масла для оценки запаса моюще-нейтрализующих свойств используется водородный показатель масла рН. Масла с металлсодержащими присадками обладают эффективными моюще-нейтрализующими свойствами до тех пор, пока величина концентрации водородных ионов в масле рН выше 6. Резкое увеличение износа для таких масел наблюдается при снижении рН ниже 4 – 4,5. Вязкость масла.Вязкость является важнейшим свойством масла, от которого в значительной степени зависит режим смазки пар трения, отвод тепла от рабочих поверхностей и уплотнение зазоров, величина энергетических потерь в двигателе, его эксплуатационные качества. Вязкость масла – параметр, реагирующий на изменение работоспособности систем двигателя, режимов работы, уровня технического обслуживания и используется поэтому в качестве диагностического параметра. Интенсивность увеличения вязкости зависит от температурных условий в зонах окисления, качества топлива (содержания в нем серы), совершенства процесса сгорания, эффективности системы фильтрации масла, наличия в нем охлаждающей жидкости и др. В таблице 2 показано влияние качества рабочего процесса двигателя на загрязнение масла и его вязкость. При работе двигателя в масло может попадать топливо как по причине неполного сгорания, так и вследствие утечек из топливной системы. Утечки топлива из топливной системы заметно снижают вязкость масла и отрицательно влияют на надежность работы двигателя. Особенно сильное влияние вязкость масла оказывает на работоспособность подшипников скольжения коленчатого вала. Заметное влияние вязкости на износ шатунных подшипников коленчатого вала двигателя ЯМЗ-240Н наблюдается при снижении ее до 7,5 мм ²/сек (сст) и ниже.

Таблица 2