Диагностика ДВС по показателям отработавшего масла. Теория

Одним из наиболее эффективных методов технического диагностирования двигателей внутреннего сгорания является диагностирование по показателям работающего моторного масла или проще говоря — отработки. 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, Тексако, Кастрол, Шелл и другие.

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, износа деталей двигателя, атмосферная пыль, охлаждающая жидкость и т.д.). Помимо этого, повергаясь воздействию высоких температур, масло интенсивно окисляется, испаряется, 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.д.

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

Содержание продуктов износа в масле. Двигатели обычно 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 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. 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. 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 % . 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.

Элементы-индикаторы, характеризующие состояние деталей двигателей

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, нитрирования и термоокислительной деструкции самого масла. 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. 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 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.

Щелочность масла. Щелочность один из наиболее важных показателей качества моторных масел, оказывающих значительное влияние на надежность и долговечность двигателей. Запас щелочности особенно важен для масел, предназначенных 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.

Зависимость вязкости работавшего масла от качества процесса сгорания.

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 200С, дизельное топливо – выше 550С. Считается, что снижение температуры вспышки пробы масла менее 180С 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 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.

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;
-система очистки воздуха;
-система очистки масла;
-система охлаждения;
-узлы трения – подшипники коленчатого вала, пара кулачок распределительного вала – толкатель клапана механизма газораспределения;
-топливоподающая система.

Система очистки воздуха. На автомобилях как правило применяются воздухоочистители сухого типа с картонными или синтетическими 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. Негерметичность выпускного тракта может быть вызвана применением 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. 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 системы очистки и ее негерметичность может быть выявлена с высокой степенью достоверности. 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 корреляция (коэффициент корреляции составляет 0,7-0,9). 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. 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. Диагностическим признаком неисправностей системы очистки воздуха 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), дымления, повышенного давления картерных газов.

Цилиндро-поршневая группа. Работоспособность ЦПГ непосредственно связана с состоянием системы очистки воздуха. Как уже отмечалось, абразивные пылевые частицы при нарушении герметичности системы очистки воздуха, 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 царапинам, натирам на гильзе и прижогам на кольцах. Степень тяжести отказов этого узла зависит от уровня форсирования двигателя и условий его эксплуатации. Для высокофорсированных двигателей преимущественным видом неисправностей являются задиры. Это обусловлено резкопеременным режимом работы двигателей, тяжелыми условиями работы масла, высокой температурой работы. 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. 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. Как правило, при повреждениях вкладышей наиболее интенсивно изменяется концентрация свинца, менее значительно меняется содержание меди. Это объясняется наличием верхнего свинцового 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 из отказов 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, не путать с петтингом!) 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.

Система очистки масла. В процессе эксплуатации двигателей внутреннего сгорания из-за применения несоответствующих расходных и эксплуатационных материалов, нарушений правил технического обслуживания наблюдаются неисправности агрегатов системы очистки масла, снижающие надежность работы двигателей. 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 карбоксилатных антифризов, более текучих и агрессивных в отношении масел, при попадании которых образуется эмульсия с выраженной кислотной средой, способствующей коррозии и отложениям.

Написано 2 января 2019 года