Зависимость вязкости работавшего масла от качества процесса сгорания [5]

№ масла	Вязкость свежего масла 50 0С,мм2/с	Работавшее масло Малая дымность отработавших газов Вязкость 50 0С,мм2/с	Работавшее масло Высокая дымность отработавших газов Вязкость 50 0С, мм2/с
	81,4	89,7	105,9
	43,3	49,5	73,8
	36,2	39,5	60,9
	41,4	48,7	64,9
	63,3	72,2	92,7

Наряду с вязкостью масла, для оценки герметичности топливной системы и степени разжижения масла топливом используется параметр «температура вспышки», характеризующий наличие в масле более легких топливных фракций, Современные масла имеют температуру вспышки выше 200 0 С, дизельное топливо – выше 55 0С. Считается, что снижение температуры вспышки пробы масла менее 180 0С достоверно указывает на присутствие в масле топлива.

Значительное увеличение вязкости масла также нежелательно, так как это приводит к ухудшению поступления масла к парам трения, снижению работоспособности системы фильтрации масла, ухудшению пусковых свойств двигателя.

Для диагностирования технического состояния двигателей представляют интерес экспресс-методы, позволяющие оценить уровень вязкости работавшего масла за короткое время. Большинство методов основано на сравнении времени истечения работавшего и свежего масел из сосудов с калиброванным отверстием.

Содержание воды (охлаждающей жидкости). Обводнение моторных масел в процессе работы является частым явлением. Основной причиной проникновения охлаждающей жидкости в масло является нарушение герметичности системы охлаждения двигателя. Попадание воды в картер приводит к повышению коррозионного износа деталей, интенсивному шламо- и нагарообразованию, снижению диспергирующей и нейтрализующей способности масел. При обводнении масла происходит также интенсивная забивка фильтрующих элементов смолистыми отложениями, преждевременный выход их строя. Применение для охлаждения антифризов, которые более склонны к течам и агрессивны в отношении моторных масел, чем вода, повышает вероятность неудовлетворительной работы смазочной системы.

В основе большинства методов количественного определения содержания воды лежит химическое взаимодействие воды, растворенной в масле с каким-либо реактивом. Однако, использование их в качестве экспресс - методов нецелесообразно из-за значительных затрат времени на проведение анализа. Простейшие методы, позволяющие экспрессно определить качественное содержание воды, основаны на конденсации водяных паров из нагретого масла. Такие методы применяют для предварительной оценки степени обводнения масла или в полевых условиях.

 

2. Диагностирование технического состояния систем и узлов двигателя

 

В ДВС и моторном масле протекают сложные физические и химические процессы, с тесной взаимосвязью и взаимным влиянием друг на друга. Поэтому для успешного диагностирования технического состояния ДВС необходимо иметь представление о взаимосвязях между этими процессами с учетом трения, смазки, износа, физико – химических превращений в масле. К основным узлам и системам, обеспечивающим работу двигателя и функционально связанным с моторным маслом относятся:

-цилиндро–поршневая группа (ЦПГ);

-система очистки воздуха (СОВ);

-система очистки масла (СОМ);

-система охлаждения (СО);

-узлы трения (УТ) – подшипники коленчатого вала (ПКВ), пара кулачок распределительного вала – толкатель (КТ) клапана механизма газораспределения;

-топливоподающая система (СТ).

Ниже рассмотрены основные неисправности, характерные для данных узлов и отказов и соответствующие им изменения показателей свойств масел – диагностических параметров, показана сущность процессов, приводящих к возникновению.

Система очистки воздуха. Наавтомобилях, тракторах и другой технике, оснащенной двигателями ЯМЗ, КамАЗ как правило применяются воздухоочистители сухого типа с картонными фильтрующими элементами, имеющими высокую эффективность. В процессе эксплуатации надежность системы, заложенная при изготовлении, уменьшается. Вибрации, колебания температуры приводят к нарушению герметичности сварных соединений воздухопровода, вытяжке и ослаблению стяжных хомутов, старению и растрескиванию резиновых уплотнений и соединительных патрубков (рис.3). Негерметичность выпускного тракта может быть вызвана применением картонных фильтрующих элементов низкого качества и недостаточным их уплотнением в корпусе фильтра. Разрывы, сквозные отверстия в шторе фильтрующего элемента приводят к значительному увеличению коэффициента пропуска пыли.

 

Рис.3 Состояние элементов впускного тракта автомобиля БелАЗ-548 в эксплуатации

 

Абразивные пылевые частицы, поступая в цилиндр, в наибольшей степени изнашивают верхнюю часть гильзы, первое компрессионное кольцо и канавку поршня. Пыль, поступившая в цилиндры и затем попавшая в масло, изнашивает подшипники коленчатого вала в меньшей степени, чем деталей ЦПГ. Это связано с дроблением абразивных частиц в зазорах ЦПГ и удержанием крупных частиц фильтрами.

Содержание кремния в масле (элемент-индикатор пыли из воздуха) не зависит от времени работы масла. Поэтому, все значения концентрации кремния в пробах масла, взятых в любой период его работы, характеризует техническое состояние СОВ и ее негерметичность может быть выявлена с высокой степенью достоверности. На рис. 4 приведены кривые распределения содержания элементов – индикаторов износа в масле, характеризующих износ деталей ЦПГ (Fe, Al, Cr) двигателей ЯМЗ-238Ф автомобилей МАЗ-6422, работающих на междугородних перевозках грузов. Наглядно видно, что кроме повышенного содержания кремния в масле при разгерметизации впускного тракта существенно увеличивается и концентрация металлов-индикаторов износа ЦПГ (Fe, Cr, Al). Причем между содержанием этих элементов и содержанием кремния в масле существует тесная корреляционная связь (коэффициент корреляции как правило составляет 0,7-0,9).

 

 

Рис.4 Распределение содержаний

Cr(1,1’), Al(2,2’),Pb(3,3’), Si(4,4’)

Fe (5,5’0 в пробах масла М-10Г₂к

при работе двигателей 8ЧН 13/14

с исправной (__) и неисправной

(---) системами очистки воздуха

[ 6 ].

 

 

Высокие значения корреляционных отношений для металлов-индикаторов ЦПГ свидетельствуют о наибольшем влиянии разгерметизации впускного тракта на износ гильз цилиндров, поршневых колец и канавок поршней. Несущественная корреляция между содержанием кремния, свинца и меди подтверждает меньшее влияние попадания пыли через цилиндры на износ подшипников коленчатого вала.

При относительно малом времени работы двигателя с негерметичным впускным трактом происходит лишь кратковременное повышение интенсивности изнашивания деталей ЦПГ без существенного ускорения старения масла. В то же время, длительная работа двигателя с такой неисправностью существенно ускоряет этот процесс и приводит к значительному изменению показателей масла (рис. 5). Даже после устранения негерметичности в этих случаях отмечается повышение скорости изнашивания деталей. Вызвано это в основном двумя причинами. Во-первых, в условиях эксплуатации не всегда после устранения дефекта заменяют моторное масло. Во-вторых, источником повышения изнашивания деталей являются впускные коллекторы и трубопроводы, расположенные после воздухоочистителя. На их внутренних поверхностях задерживаются частицы пыли, отслаивающиеся из-за вибрации и температурных колебаний и попадающие в цилиндры двигателя.

 

Рис.5 Изменения физико-химических

параметров масла М-10Г₂к от времени

работы двигателей с исправной (__)

и неисправной (---) системами очистки

воздуха [ 6 ].

 

 

Поэтому для устранения последствий работы с разгерметизированным впускным трактом необходимо заменить масло, очистить выпускные трубопроводы, расположенные после воздухоочистителя.

Диагностическим признаком неисправностей СОВ является одновременное увеличение содержания в масле кремния и продуктов износа ЦПГ. Ухудшение физико-химических показателей масла служит признаком длительной работы двигателя с неисправной системой.

При этом неисправности системы очистки воздуха выявляются с высокой достоверностью на ранней стадии их возникновения – до начала появления внешних признаков абразивного изнашивания в виде интенсивного роста расхода масла на угар (свыше 2 – 3 % от расхода топлива), повышенного дымления, выброса масла из сапуна, ухудшения тяговых качеств автомобиля и т.п.[ 6 ].

Цилиндро-поршневая группа. Работоспособность ЦПГ непосредственно связана с состоянием системы очистки воздуха. Как уже отмечалось, абразивные пылевые частицы при нарушении герметичности СОВ, поступая в цилиндр, в первую очередь изнашивает верхнюю часть гильзы, первое компрессионное кольцо и канавку поршня. Это приводит к нарушению уплотняющей способности кольцевого уплотнения и сопровождается увеличением расхода масла на угар. Ухудшаются также условия смазки и теплоотвода от деталей ЦПГ, усиливается нагарообразование в канавках поршня. Через некоторое время эти явления могут привести к натирам на гильзе и прижогам на кольцах.

Степень тяжести отказов этого узла зависит от уровня форсирования двигателя и условий его эксплуатации. Для высокофорсированных двигателей карьерных самосвалов преимущественным видом неисправностей являются задиры. Это обусловлено резкопеременным режимом работы двигателей, тяжелыми условиями работы масла, высокой запыленностью воздуха в карьерах. Натиры и задиры ЦПГ могут быть вызваны нарушением условий эксплуатации (перегрев двигателя) и некачественным ремонтом.

Задиры на деталях ЦПГ и их заедание вызывают интенсивное изнашивание гильз цилиндров, поршней и поршневых колец, которое сопровождается увеличением концентрации соответствующих металлов в масле. Так, в процессе диагностирования двигателя КамАЗ-740 автомобиля-самосвала КамАЗ-5511 вследствие нарушения теплового режима эксплуатации (перегрев двигателя) при пробеге 13747 км было зафиксировано увеличение концентрации железа, а при пробеге 24100 км произошел задир в одном из цилиндров (рис. 6). Задир сопровождался резким увеличением концентрации железа, алюминия и хрома (рис. 7).

 

Рис. 6 Вид поршня двигателя КамАЗ-740 автомобиля КамАЗ-5511после задира вследствие перегрева.

 

 

Рис.7 Изменение концентрации

продуктов износа ЦПГ при задире

двигателя КаАЗ-740

 

Износ ЦПГ сопровождается значительным ускорением «старения» масла. Значительно выше интенсивность увеличения вязкости (в два раза и выше), с более высокой скоростью накапливаются нерастворимые осадки. Причем чем выше уровень форсировки двигателя и тяжелее условия его эксплуатации, тем с большей скоростью по мере износа ЦПГ происходит дальнейшее ухудшение свойств масла. Основным диагностическим признаком неисправного технического состояния ЦПГ служит повышение концентрации соответствующих продуктов износа, в первую очередь железа и алюминия. Вспомогательным признаком повышенного износа деталей ЦПГ является более интенсивное увеличение вязкости масла и накопление в нем загрязняющих примесей.

Подшипники коленчатого вала. Одной из основных причин выхода из строя вкладышей подшипников коленчатого вала из строя является попадание в подшипник твердых абразивных частиц относительно большого размера (стружка, технологическая грязь, песок, почвенная пыль и т.п.). Частицы, попадая в подшипник, образуют кольцевые риски на антифрикционном слое, способствуют уменьшению минимальной толщины масляного слоя, повышению температуры и короблению вкладышей, уменьшению их натяга в постелях. При образовании риски на поверхности вкладыша появляются пластически выдавленные канавки с навалами (выпучиванием) материала по бокам. Металл в навалах по сторонам царапины под воздействием возросших местных нагрузок может выкрашиваться, частицы металла защемляясь в паре способствуют задиру, а затем и провороту вкладышей. Абразивные частицы, попадая в подшипник, помимо изнашивания поверхности деталей, могут вызвать упругую деформацию поверхностного слоя вкладышей и местное возрастание температуры. Все это интенсифицирует процесс усталостного разрушения (растрескивания) антифрикционного слоя вкладышей и способствует их задиру и провороту.

С момента попадания абразивной частицы в подшипник до задира или проворота проходит определенный период, зависящий от размера и твердости абразивной частицы, материала и конструкции вкладышей, а также режимов работы и условий эксплуатации двигателя. Попадание абразивной частицы в подшипник и образование рисок на поверхности вкладышей сопровождается ростом концентрации металлов антифрикционного слоя и металла коленчатого вала (при образовании царапин на поверхности шейки вала). По мере развития повреждения вкладышей, скорость повышения концентрации металлов в масле постоянно увеличивается, вплоть до лавинообразной при задире или провороте. Характерный пример развития процесса показан на рис.8. При диагностировании двигателя КамАЗ-740 автомобиля КамАЗ-5320 при пробеге 18 тыс. км было отмечено резкое увеличение концентрации свинца и меди. После замены масла и дальнейшей эксплуатации содержание металла снизилось до нормального уровня. Однако, начиная с пробега 61 тыс. км был зафиксирован новый рост концентрации свинца и меди, а также железа, что свидетельствовало о росте износа вкладышей и шеек коленчатого вала. Эксплуатация двигателя не была своевременно предотвращена (не производился осмотр вкладышей) и при пробеге 81 тыс. км произошел проворот вкладышей и задир шеек коленчатого вала. Как видно, процесс развития этого повреждения достаточно длительный (около 20 тыс. км пробега автомобиля), что позволяет его своевременно выявить и предотвратить.

 

 

Рис. 8 Изменение концентрации продуктов износа в масле в зависимости от пробега автомобиля КамАЗ-5320 до проворота вкладышей коленчатого вала. Двигатель КамАЗ-740. I – IV –смены масла.

 

Тяжелые условия эксплуатации ускоряют этот процесс. На рис. 9 показано изменение концентрации продуктов износа двигателя 6РА4 – 185 автомобиля БелАЗ-549, предшествующее задиру и провороту шатунных вкладышей. Дефект развивался на протяжении примерно 150 моточасов (около 2 тыс. км).

 

Рис.9 Изменение концентрации продуктов износа в масле М-10ДМ, предшествующей провороту вкладышей коленчатого вала. Двигатель 6РА4-185.

 

Одной из причин попадания абразивных частиц в подшипники коленчатого вала является работа двигателя с открытым предохранительным клапаном масляного фильтра (со светящейся лампочкой сигнализации открытия клапана). В этом случае масло поступает в главную масляную магистраль, минуя фильтрующий элемент. Так, двигатели ЯМЗ-240Н карьерных самосвалов БелАЗ-548 эксплуатировались с этой неисправностью из-за того, что масляные фильтрующие элементы заменялись только при проведении технического обслуживания после прибытия автомобилей с линии. Нарушение правил эксплуатации привело к увеличению содержания в масле свинца до 25 х 10^-4 % - 40 х 10^-4 %, что свидетельствовало о повышенном износе вкладышей. При контрольном осмотре на вкладышах были обнаружены износ и кольцевые борозды.

Как правило, при повреждениях вкладышей наиболее интенсивно изменяется концентрация свинца, менее значительно меняется содержание меди. Это объясняется наличием верхнего свинцовистого слоя на вкладышах, а также тем, что при образовании глубоких рисок выкрашившиеся частицы антифрикционного слоя могут иметь крупные размеры (вплоть до видимой глазом стружки) и не попадать в зону дуги при спектральном анализе.

Опыт диагностирования автомобильных двигателей различных моделей показывает, что время от момента выхода концентрации меди и свинца за предельные значения до момента обнаружения неисправности (от нескольких тысяч километров до нескольких десятков тысяч) позволяет своевременно обнаружить и предотвратить аварийные неисправности подшипников коленчатого вала.

Газораспределительный механизм. Одним изотказов автомобильных двигателей является выход из строя пары «кулачок распредвала – толкатель клапана» (КТ). Наиболее распространенными видами повреждений этой пары трения являются натиры, кольцевые риски, наволакивание или усталостное выкрашивание металл (питтинг) на рабочих поверхностях толкателя и кулачка и повышенное их изнашивание. Эти повреждения могут быть следствием взаимного перекоса контактирующих поверхностей кулачка и толкателя из-за неточности изготовления или сборки, недостаточной смазки, неправильной регулировки теплового зазора «клапан – коромысло». Усталостному выкрашиванию металла – питтингу могут способствовать абразивные загрязнения, попавшие в масло. Повреждение рабочих поверхностей КТ сопровождается увеличением тепловых зазоров клапанов и приводит к нарушению фаз газораспределения и ухудшению технико-экономических показателей двигателя.

Увеличение тепловых зазоров в клапанах из-за износа в паре КТ сопровождается скачкообразным ростом концентрации железа, а также хрома. Причем, увеличение тепловых зазоров отмечалось уже при концентрации железа, равной 20 х 10^-4 %. По мере развития износа происходит постепенное увеличение концентрации металлов-индикаторов или сохранение повышенного уровня в течение некоторого времени. Это связано с высокой твердостью рабочих поверхностей пары трения. По мере износа и выкрашивания закаленных слоев и непосредственного контактирования поверхностей с низкой твердостью происходит вторичное резкое увеличение концентрации металлов. В подобных случаях распределительные валы и толкатели становятся непригодными к дальнейшей эксплуатации. На рис.10 показано изменение концентрации металлов-индикаторов износа пары КТ двигателей КамАЗ-740 автомобилей КамАЗ-5410,КамАЗ-5320, характерное при развитии повреждений пары «кулачок-толкатель»

 

Рис.10 Накопление железа в маслепо мере развития повреждений пары «кулачок – толкатель» Двигатели КамАЗ-740. 1-5 – разные двигатели.

 

Система очистки масла. В процессе эксплуатации автомобильных и тракторных двигателей из-за применения несоответствующих расходных и эксплуатационных материалов, нарушений правил технического обслуживания наблюдаются неисправности агрегатов системы очистки масла, снижающие надежность работы двигателей. Это отслаивание крышек бумажных фильтрующих элементов (рис.13), открытие предохранительного клапана масляного фильтра из-за несвоевременной замены масла и фильтрующих элементов, не работает (отсутствуют отложения на роторе) центробежный фильтр из-за неправильной сборки при проведении техобслуживания. Неисправности агрегатов системы очистки масла сопровождаются значительным увеличением концентрации практически всех продуктов износа. Так, из-за отслаивания крышек фильтрующих элементов в двигателе КамАЗ-740 автомобиля КамАЗ-5320 концентрация продуктов износа составила: Fe = 120 x 10-⁴%, Pb = 21 x 10^-4 %, Cu = 66 x 10^-4 %, Al = 28 x 10^-4 %, Cr = 76 x 10^-4 % при относительно невысокой концентрации кремния (Si = 12 х 10^-4 %). Отказ центрифуги (отсутствие отложений в двигателе ЯМЗ-240Н автомобиля БелАЗ-548 сопровождался увеличением содержания продуктов износа до значительных величин: Fe = 81 x 10-⁴%, Pb = 33 x 10^-4 %, Сu = 27 x 10^-4 %, Al = 15 x 10^-4 %, Cr = 27 x 10^-4 % также при невысоком содержании кремния.

При отказах системы очистки масла наблюдается также интенсивное старение масла. Наиболее значительно накапливаются загрязняющие примеси, снижается щелочность и диспергирующие свойства масла. Таким образом, основным диагностическим признаком неисправного состояния агрегатов очистки масла является повышение содержания большинства продуктов износа при относительно невысоком содержании кремния. Дополнительным признаком является увеличение содержания в масле загрязняющих примесей, более значительный рост вязкости, снижение щелочности и диспергирующих свойств.

Система охлаждения. В условиях эксплуатации двигателей при нарушении герметичности системы охлаждения в масло поступает охлаждающая жидкость. Источниками течей могут быть уплотнения гильз цилиндров и стаканов форсунок, прокладки газового стыка, трещины в корпусных деталях, (блок и головки цилиндров и др.), водомасляные теплообменники. Течи особенно опасны при использовании в качестве охлаждающей жидкости антифризов, более текучих и агрессивных в отношении масел. В результате моторно-стендовых испытаний двигателя ЯМЗ-238Н установлено, что с увеличением концентрации антифриза в масле снижается щелочность и диспергирующие свойства, возрастает вязкость и содержание нерастворимых осадков. При поступлении даже малого количества антифриза значительно ухудшаются антикоррозионные свойства масла (табл. 3) [7].

Таблица 3

Результаты антикоррозионных испытаний масла М-10В₂, содержащего антифриз Тосол-А40 на приборе ДК-3 НАМИ

.

Концентрация Антифриза	Материал испытуемого образца	Изменение в весе после 10 ч испытаний, мг
	Алюминий Свинцовистая бронза	+ 0,1 + 0,6
0,1	Алюминий Свинцовистая бронза	- 2,5 - 3,2

 

При диагностировании данной неисправности следует иметь в виду, что в процессе эксплуатации не всегда наблюдается полное соответствие между повышенным содержанием охлаждающей жидкости в масле и выявленными течами, так как возможно большое число источников течи и затруднен их поиск в процессе рядовой эксплуатации. Происходит также интенсивное испарение охлаждающей жидкости из масла, отбор ее фильтрами, пары воды выбрасываются через сапуны, в связанном виде жидкость откладывается в шламах на деталях двигателя.

На рис. 11 приведено усредненное изменение физико-химических показателей масел при попадании в них воды, выявленное при эксплуатации двигателей ЯМЗ-240Н и 6ДМ-21А карьерных самосвалов БелАЗ-548 и БелАЗ-549.

Наиболее достоверным признаком течи охлаждающей жидкости в масло является изменение диспергирующих свойств. На рис. 12 показаны хроматограммы масла М-10-Г₂к при попадании в него антифриза из системы охлаждения двигателей КамАЗ-740. Характер масляных пятен указывает на полное исчерпывание диспергирующих

 

 

Рис.11 Изменение физико-химических

свойств масел при попадании в них

воды.

1- ЯМЗ-240Н - М –10ДМ при течи воды

2- ЯМЗ-240Н – М-10ДМ исправное состояние

3-6ДМ-21А – М-14В₂ исправное состояние

4-6ДМ-21А – М-14В₂ при течи воды.

 

свойств – полностью отсутствует зона диффузии, поверхность хроматограммы глянцевая, насыщенного черного цвета.

 

Рис. 12 Хроматограммы масла М-10Г₂к ри течах охлаждающей жидксоти в смазочную систему двигателей КамАЗ-740. 1-9 разные двигатели.

 

При течах охлаждающей жидкости интенсифицируется накопление в масле продуктов износа, в первую очередь металлов антифрикционного слоя вкладышей коленчатого вала (рис. 13). Одна из причин – воздействие агрессивных продуктов на цветные металлы. На рис.14 показано состояние шатунных вкладышей двигателя КамАЗ-740 автомобиля КамАЗ-5511 после того, как в масло на протяжении около 40 тыс. км пробега поступал антифриз. На рабочей поверхности вкладышей, кроме царапин грязевого характера, видны очаги коррозии. Незадолго до осмотра вкладышей концентрация свинца увеличилась до 109 х10^-4 %, меди -–до 28 х 10^-4 %.

 

 

Рис.13 Изменение продуктов износа

в маслах при попадании в них

воды.

1- ЯМЗ-240Н – М-10ДМ течи воды

2- ЯМЗ-240Н – М-10ДМ исправное

состояние

3- 6ДМ-21А – М-14В₂ исправное

состояние

4- 6ДМ-21А – М-14В₂ течи воды

 

Рис.14 Следы коррозии на шатунных

вкладышах двигателя КамАЗ-740

автомобиля КамАЗ-5511.Пробег до

осмотра 75533 км.

 

 

Кроме того, взаимодействие масла с охлаждающей жидкостью способствует коагуляции асфальтосмолистых продуктов и их осаждению на фильтрующей перегородке фильтра, вплоть до полного закупоривания пор. Такое явление сопровождается существенным возрастанием гидравлического сопротивления фильтра, деформацией – искривлением гофр, открытием предохранительного клапана и поступлением нефильтрованного масла к подшипникам коленчатого вала.

Система топливоподачи. Источники проникновения топлива в масло зависят от конструкции двигателя, его технического состояния. Так, в двигателях ЯМЗ размерности 130 х 140 мм соединения топливопроводов высокого давления и сливных трубопроводов с форсунками расположено в полости клапанного механизма под крышками головок. Под действием вибрации, а также при некачественном проведении операций техобслуживания системы происходит ослабление затяжки соединительных штуцеров. Топливо просачивается в полость клапанного механизма и поступает в масло. В двигателях других моделей эти соединения находятся вне внутренних полостей двигателя. Однако, из-за разрегулировок форсунок, закоксовки распылителей топливо может поступать в масло через цилиндры. Источником поступления топлива является также топливный насос высокого давления с централизованной системой смазки (из общей системы двигателя). При износе плунжерных пар топливо просачивается в полость кулачкового вала и разжижает масло.

Разжижение свежего масла класса вязкости 10 в лабораторных условиях топливом показало, что его вязкость снижается почти пропорционально содержанию топлива (рис. 15). Из-за испарения легких фракций топлива и масла эта зависимость меняет свой характер. В процессе эксплуатации вязкость масла из-за разжижения топливом может снизиться до значений, существенно ухудшающих условия смазки трущихся деталей. Это наглядно видно на рис. 16, где приведено распределение вязкости масел двигателей карьерных самосвалов БелАЗ при попадании в них топлива в процессе эксплуатации. Видно, что имеет место значительное разжижение масла топливом, вплоть до вязкости 4 мм² /с в двигателях ЯМЗ-240Н, что соответствует содержанию в масле до 40% топлива.

 

 

Рис. 15 Снижение вязкости масла в зависимости от содержания в нем топлива

 

При разжижении масла топливом имеет место «улучшение» диспергирующих свойств масел и снижение содержания в них загрязняющих примесей. Такое «улучшение» показателей из-за разжижения является кажущимся, так как топливо разбавляет масло и концентрация примесей снижается. Кроме того, легкие фракции топлива меняют вид хроматограмм (рис.17). Значительно увеличивается зона диффузии, ядро приобретает расплывчатую форму, пятно имеет светло-серую окраску. Такой вид масляных пятен является диагностическим признаком попадания топлива в масло, что делает ценным использование метода бумажной хроматографии при экспресс - диагностике. Дополнительным признаком разжижения масла является снижение температуры вспышки ниже значений для свежего масла.

 

 

Рис.16 Гистограммы распределения

вязкости масел при попадании в них

топлива:

а) Двигатели ЯМЗ-240Н, масло М-10ДМ

б) Двигатели 6ДМ-21А, масло М-14В₂

 

Рис.17 Характер бумажных хроматограмм масел М-10ДМ (а) –двигатели ЯМЗ-240Н и М-10Г2к (б) – двигатели КамАЗ-740.

 

3. Предельные значения диагностических параметров, алгоритм диагностирования ДВС по показателям работающего масла.

 

Большинство показателей свойств масла, являющихся диагностическими параметрами, характеризуются законами распределения и изменения во времени различными для исправного и неисправного состояния. В то же время, в силу случайности процессов, происходящих в системе «ДВС - моторное масло» и большого числа влияющих факторов имеет место пересечение «исправных» и «неисправных» значений показателей и областей их распределения. Таким образом, существует неопределенность в отнесении системы к исправному или неисправному состоянию. Возникает задача выбора такого значения показателя, меньше (или больше в зависимости от характера его изменения) которого система считалась бы исправной, а больше (меньше) – неисправной. Для первого случая эту задачу можно записать в виде условия [8]:

 

При Х_i < X_п Х_i Е D₁; при Х_i > X_п X_i Е D₂ (2)

 

Для второго случая:

 

При X_i > X _п X_i Е D₁; при X_i < X_п X_i Е D₂ (3)

 

Где X_i – текущее (измеренное) значение показателя;

Х_п- предельное (браковочное) значение показателя;

D₁- исправное состояние системы;

D₂- неисправное состояние системы;

Е - означает принадлежность значения X_i состоянию D_i (i = 1, 2)

 

В случае пересечения областей распределения, что и наблюдается для всех показателей свойств масла – диагностических параметров, невозможно выбрать такое значение X_п, при котором условие (2, 3) не давало бы неправильных решений, причем могут быть допущены ошибки двух родов [8]. Ошибка первого рода (ложная неисправность) состоит в том, что будет принята гипотеза о неисправном состоянии при действительном ее исправном состоянии. Ошибка второго рода (пропуск неисправности) состоит в том, что будет принята гипотеза об исправном состоянии, в то время как в действительности система неисправна. Очевидно, что последствия этих ошибок будут неодинаковыми, поэтому необходимо выбрать оптимальное значение Х_п, при котором суммарная стоимость ошибок первого и второго рода была бы минимальной. Для определения величины предельного (браковочного) значения показателя может быть использован метод минимального риска, исходящий из условия минимума средного риска ошибок первого и второго рода [8]. По этому методу решение о состоянии объекта принимается на основании законов распределения показателя для исправного и неисправного состояний, стоимости ошибок первого и второго рода, а также вероятности состояния системы (узла) по статистическим данным.

В таблице 4 приведены предельные значения конентрации элементов – индикаторов, рекомендуемые в работе [6] при диагностировании герметичности впускного тракта двигателей ЯМЗ.

Таблица 4

Предельные значения концентрации элементов – индикаторов для различных состояний системы очистки воздуха [ 6 ].

 

Состояние системы очистки воздуха с вероятностью 0,95	Предельная величина концентрации элементов-ндикаторов износа в масле 1 х 10-4 % для различных состояний системы очистки воздуха
Si	Fe	Al	Cr	Pb
Исправное			10*	2,6	10*
Неисправное				3,8

 

· Предельные величины концентрации для исправного состояния системы очистки воздуха с вероятностью 0,75

 

В таблице 5 приведены осредненные предельные значения диагностических параметров – показателей свойств масел для двигателей карьерных самосвалов (ЯМЗ-240Н, 6ДМ-21А, 6РА4-185), которые могут быть приняты за базовые при освоении метода диагностирования технического состояния двигателей с последующей корректировкой по мере накопления опытных данных в конкретных условиях эксплуатации.

Таблица 5

Предельные (браковочные) значения диагностических параметров – показателей свойств масла для двигателей карьерных автосамосвалов БелАЗ

 

Диагностический параметр	Предельные (браковочные) значения
Двигатели автосамосвалов БелАЗ-549 (6ДМ-21А,6РА4-185) Масла класса вязкости SAE 15W/40	Двигатели ЯМЗ-240НМ автосамосвалов БелАЗ-548 Масло М-10ДМ
Содержание кремния, х 10-4%
Содержание железа, х 10-4%
Содержание алюминия, х 10-4%
Содержание хрома, х10-4%
Содержание меди, х10-4%
Содержание свинца, х10-4%
Вязкость,мм2/с	15/12*	14,5/10*
Щелочность, мгКОН/г	2,0 –5,8	4,7
Загрязняющие примеси,%	2,5	2,5
Диспергирующие свойства, усл.ед.	0,35	0,35

· в числителе верхнее, в знаменателе нижнее значение вязкости

 

В таблице 6 обобщены диагностические признаки неисправностей систем и узлов автомобильных дизелей. Диагностические признаки разделены на основные и сопутствующие. К первым относятся показатели имеющие наибольшую чувствительность к неисправностям соответствующих узлов, ко вторым меньшую (как правило, концентрация легирующих металлов, ряд физико-химических показателей). Таблица 6

Диагностические признаки неисправностей систем и узлов автомобильных дизелей

Неисправность	Диагностические признаки
Основные	Сопутствующие
Негерметичность системы очистки воздуха	Повышенное содержание в масле кремния	Повышенное содержание в масле продуктов износа ПГ, интенсификация роста вязкости и содержания загрязняющих примесей
Повышенный износ цилиндро-поршневой группы, образование натиров, задиров	Повышенное содержание в масле продуктов износа ЦПГ	Интенсификация роста вязкости, содержания загрязняющих примесей
Повышенный износ, выкрашивание кулачков, толкателей механизма газораспределения	Повышенное содержание в масле железа	Повышенное содержние хрома
Повышенный износ вкладышей подшипников коленчатого вала (образование рисок, царапин)	Повышенное содержание в масле металлов антифрикционного слоя вкладышей (медь, свинец)	Повышенное содержание железа (базовый металл шеек коленчатого вала)
Неисправность системы очистки масла (не работает центрифуга, забивка фильтрующего элемента, порыв фильтрующего элемента и т.п.)	Повышенное содержание продуктов износа в масле	Интенсификация роста вязкости, содержания загрязняющих примесей
Нарушение герметичности системы охлаждения	Повышенное содержание в масле воды	Исчерпывание диспергирующих свойств(масляное пятно черного цвета, отсутствие зоны диффузии), повышенный рост вязкости, содержания загрязняющих примесей
Нарушение герметичности системы топливоподачи	Снижение вязкости масла ниже значения для свежего масла	«Размывание» масляного пятна, пятно светло-серого цвета. Уменьшение температуры вспышки масла.

Оценка технического состояния систем двигателя осуществляется путем сравнения текущих значений показателя – диагностического параметра с предельным. Заключение о техническом состоянии дается однозначно: «Исправен», «Неисправен». Вместе с тем, имеется возможность более детальной градации технического состояния в зависимости от величины диагностического параметра. Для процесса изменения диагностического параметра – показателя свойств масла во времени при исправном техническом состоянии двигателя существует доверительная зона разброса, в которой с задаваемой надежностью содержится не менее (1-2в)100% всех значений (2в – принимаемая наперед вероятность риска). Распределение же «исправных» значений параметра охватывает всю их совокупность. Между верхней и нижней (в зависимости от характера изменения параметра) границей доверительной зоны разброса «исправных» значений и предельным значением параметра имеются значения, несущие дополнительную информацию о техническом состоянии двигателя. В этом случае диагностический алгоритм можно выразить следующим образом: если фактическая величина диагностируемого параметра меньше или равна величине, соответствующей исправному состоянию – двигатель исправен. Если больше ее, но меньше предельно допустимой – возникли отклонения от нормального состояния. В этом случае необходимо отобрать дополнительную контрольную пробу масла, повысить качество технического обслуживания, при первой же возможности провести осмотр соответствующих систем, агрегатов очистки масла и воздуха, провести внеплановое техническое обслуживание. Если величина диагностического параметра больше предельно допустимой – состояние двигателя аварийное, необходимо срочно выявить и устранить неисправность.

При диагностировании двигателей по показателям работающего масла целесообразно использовать при постановке диагноза и принятии решения о том или ином воздействии внешние признаки проявления неисправностей. Например, при подозрении на износ ЦПГ уточнить расход масла на угар, проверить характер дымления двигателя, при повышении концентрации металлов - индикаторов антифрикционного слоя вкладышей подшипников коленчатого вала – осмотреть фильтрующие элементы на наличие стружки. Постановку диагноза о повышенном износе в рае «кулачок - толкатель» следует подтвердить проверкой и регулировкой тепловых зазоров клапанного механизма, при подозрении на разжижение масла топливом необходимо проверить уровень масла в картере и т.п.

Учитывая высокую стоимость оборудования для проведения спектрального анализа масла, организация специализированной службы (лаборатории) по диагностированию технического состояния автомобильных двигателей целесообразна в местах наибольшей концентрации автомобильной техники. Это могут быть горнодобывающие карьеры, крупные автотранспортные предприятия, эксплуатирующие дорогую энергонасыщенную технику, например, карьерные автосамосвалы, большегрузные магистральные или специализированые (например, лесовозы) тягачи с двигателями высокой мощности типа ЯМЗ-7511. Окупаемость такой диагностической лаборатории для парка в 200 автомобилей типа БелАЗ-548, БелАЗ-549 не превышает 2 лет.

 

Литература:

1. Тимашев В.П. Зарубежный опыт диагностирования технического состояния двигателей внтреннего сгорания по параметрам работавшего масла. Автомобильная промышленность, 1981, №3 с.35-36

2. Кюрегян С.К. Эмиссионный спектральный анализ нефтепродуктов. М., Химия, 1969, 188 с.

3. Проспект фирмы Baird – Atomik Ink.

4. Резников В.Д., Шипулина Э.Н. Химмотологические аспекты анализа работавших дизельных масел. Тематический обзор, сер.: Переработка нефти. М., ЦНИИТЭНЕФТЕХИМ, 1982, 59с.

5. Антропов Б.С. и др. Оценка герметичности впускного тракта двигателя по результатам анализа моторного масла. Двигателестроение № 2,1991 с.23-25.

6. SAE Preprints, s.a. № 680758, 6 р.р.

7. Артемьев В.А. и др. Изменение свойств картерного масла при попадании антифриза в систему смазки. Химия и технология топлив и масел, 1981, № 9.с.25-26

8. Биргер И.А. Техническая диагностика. М., Машиностроение, 1978, 240с.