акция

Влияние качества моторных масел на токсичность отработавших газов

Авторы: Худашова А. И.

.

Рубрика: Технические науки

Страницы: 32-37

Объём: 0,36

Опубликовано в: «Наука без границ» № 2 (7), февраль 2017

Скачать электронную версию журнала

Библиографическое описание: Худашова А. И. Влияние качества моторных масел на токсичность отработавших газов // Наука без границ. - 2017. - № 2 (7). - С. 32-37.

Аннотация: В статье рассмотрено влияние показателей качества моторного масла на токсичность отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Рассмотрено влияние на увеличение расхода моторного масла изменение нагрузки и частоты вращения двигателя.

Повышенная экологическая опасность моторных масел обусловлена значительным объемом производства и большим их расходом при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, интенсивным испарением при высоких рабочих температурах, угаром при попадании в камеру сгорания, нарушением в работе устройств, предназначенных для снижения токсичности отработавших газов [1].

Важным фактором вредного воздействия моторного масла на окружающую среду является их влияние на токсичность отработавших газов. Эти газы состоят из растворимой органической фракции, сажи и оксидов. Первая составляющая на 70…90 % формируется углеводородами масла, попавшего в камеру сгорания через направляющие выпускных клапанов, вторая – следствие его неполного сгорания в смеси с топливом. Содержание органических фракций зависит от конструкции двигателя, особенностей его рабочего процесса, химического состава и для различных двигателей колеблется от 0,014 до 0,408 г/кВт×ч. Снижение выброса этой фракции достигается сокращением общего расхода масла и увеличением степени его сгорания.

Немаловажную роль во влиянии моторного масла на токсичность отработавших газов играет их состав и наработка масла [1-3].

Известно, что в свежих маслах содержится небольшое количество полициклических ароматических углеводородов (далее – ПАУ). Их содержание во многом определяется особенностями нефтяного месторождения. Но по мере наработки двигателя происходит старение масла, в процессе которого пропорционально наработке возрастает концентрация ПАУ [3].

Определяющими факторами при накоплении ПАУ в маслах являются: тип двигателя (бензиновый, дизельный), топливо и система смазки (картерная или проточная) [4, 5].

Известно, что в двигателе внутреннего сгорания имеет место длительное пребывание масла в зоне высоких температур, это ведет к накоплению ПАУ, образующихся при сгорании. В таких отработанных маслах идентифицировано более 140 видов полициклических ароматических углеводородов. Все эти соединения присутствуют и в свежих маслах, но в незначительных количествах. Часть ПАУ попадает в масло из топлива [6].

Имеются данные, что темпы нарастания концентрации ПАУ составляют для двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием в среднем 26,8 мг/кг на 100 км, а через 10…15 тыс. км пробега к моменту очередной замены масла его концентрация достигает 270…400 мг/кг. В дизелях максимальная концентрация ПАУ в масле составляет 20…30 мг/кг [6].

Ученые Лидского университета (Великобритания), исследовавшие влияние загрязнения моторных масел полициклическими ароматическими углеводородами на общую эмиссию пришли к выводу, что кроме роста эмиссии ПАУ загрязнение масла сопровождается увеличением содержания в отработавших газах несгоревших углеводородов, а также растворимых в органических растворителях фракций в составе твердых частиц отработавших газов.

Дымность и токсичность отработавших газов зависит также от содержания углеродистых частиц в моторном масле, количество которых во многом определяется величиной его угара. Угоревшее масло попадает в цилиндры двигателя через цилиндро-поршневую группу (далее – ЦПГ), через направляющие выпускных клапанов или поступает в двигатель вместе с засасываемым воздухом, в случае замкнутой вентиляции картера. В большинстве двигателей основная часть угоревшего масла попадает в надпоршневое пространство цилиндров, через ЦПГ. Количество масла, расходуемого на угар через ЦПГ, зависит от многих взаимосвязанных факторов, наиболее важные из которых следующие:

  • количество масла, подаваемого или попадаемого на стенки цилиндра;
  • условия формирования масляной пленки и переноса масла в зазорах между цилиндром, поршнем и кольцами;
  • испарение масла из пленки и его сгорание.

В технически исправном двигателе расход масла в основном определяется его поступлением в камеру сгорания через ЦПГ. Значительный расход масла путем его проникновения в камеру сгорания через зазоры между стеблем и направляющей клапана наблюдается только в двигателях без наддува с несовершенной конструкцией этого узла. В дизелях с наддувом некоторая (обычно небольшая) часть масла расходуется через зазоры в подшипниках турбонагнетателя.

Зазоры между поршнем и цилиндром, поршнем и поршневым кольцами зависят от температуры этих деталей, которая в свою очередь зависит от частоты вращения, нагрузки, температуры масла и охлаждающей жидкости и других факторов. Кроме того, частота вращения коленчатого вала, величина зазоров в его подшипниках и давление масла в главной магистрали оказывают влияние на количество масла, разбрызгиваемого при вращении коленчатого вала на стенки цилиндра. Средняя температура масляной пленки на деталях ЦПГ влияет на вязкость и скорость испарения масла, находящегося в пленке и ее толщину.

Имеющиеся в литературе данные о влиянии режимных параметров на расход масла очень разноречивы. Это объясняется тем, что двигатели различной конструкции по-разному изменяют расход масла при изменении нагрузки, частоты вращения и других факторах. Тем не менее, можно проследить некоторые общие закономерности. В большинстве двигателей расход масел на угар значительно возрастает при повышении частоты вращения, а при постоянной частоте вращения возрастает пропорционально нагрузке.

Причиной увеличения расхода масла является несоблюдение режима эксплуатации, в частности повышенный тепловой режим работы двигателя. Увеличение толщины слоя накипи в системе охлаждения на 1 мм повышает расход моторного масла на угар на 25 %. С увеличением нагрузки двигателя этот расход повышается незначительно, а с ростом частоты вращения влияние нагрузки уменьшается. При этом абсолютное количество сгораемого масла увеличивается, но его расход (в процентах от расхода топлива) не возрастает или возрастает мало. Основной причиной увеличения расхода масла с ростом нагрузки является повышение его температуры и теплонапряженности двигателя. Частота вращения в большей степени, чем нагрузка, влияет на расход масла [7].

Для снижения расхода масла на угар необходимо тщательно соблюдать правила технического ухода за двигателем. Очень важно поддерживать требуемый уровень масла в картере двигателя. Повышенный уровень масла является причиной обильного его попадания на стенки цилиндра и, как следствие, увеличение угара масла. Несоблюдение параметров регулирования, например, отношение угла опережения впрыска на 4°, может привести к увеличению расхода масла на 10 %, при дальнейшем увеличении этого показателя угар масла возрастает еще больше [7].

На угар влияют свойства самого масла, вязкость и испаряемость.

В настоящее время широко используется всесезонные масла. Их получают либо загущением маловязких дистиллятных масел, имеющих вязкость при 100 °С 3,5…5 мм2/с, высокомолекулярными загустителями, либо путем использования продуктов гидроизомеризации нефтяных фракций. Загущенные масла, как правило, имеют меньшую вязкость и наибольшую испаряемость основы, что обусловлено повышенными требованиями к их пусковой вязкости при низких температурах. В жестких условиях работы двигателя загуститель полимер, содержащийся в загущенном масле, подвергается термической и механической деструкции, не исключается возможность временной потери вязкости при больших скоростях сдвига. Все это ведет к увеличению расхода масла.

Влияние вязкости масла на его угар не однозначно. Установлено, что вязкость влияет на расход масла через ЦПГ и направляющие клапанов противоположно. Расход масла через ЦПГ с увеличением вязкости возрастает, что обусловлено большей толщиной масляной пленки, а, следовательно, и более высокой температурой ее поверхности. Расход через направляющие клапанов, напротив, уменьшает общий расход масла в двигателе и может с увеличением вязкости оставаться изменяться в любом направлении.

Опытным путем установлено, что расход масла лучше характеризуется его вязкостью при температуре 150…190 °С, т. е. характерной температурой масляной пленки на стенках цилиндра двигателя, работающего с высокой нагрузкой.

Влияние испаряемости моторного масла на угар однозначно. Чем больше содержание в масле легких фракций, имеющих температуру кипения при атмосферном давлении ниже 380…420 °С, тем при прочих равных условиях, выше угар масла [8, 9].

Для приготовления загущенных масел используют минеральные, синтетические и частично синтетические основы с вязкостью от 3 до 6 мм2/с при 100 °С. В нашей стране используют основы загущенных масел нормированного фракционного состава. Нормирование фракционного состава основ загущенных масел ограничивает содержание в них легкокипящих фракций, чтобы избежать их повышенного расхода в двигателях, тем не менее, эти основы имеют более легкий фракционный состав, чем незагущенные моторные масла.

Испаряемость влияет на угар масла больше в бензиновых двигателях, где расход масел тесно связан с содержанием в них фракций, выкипающих до 400 °С. Внутри одного вязкостного класса в условиях стендовых испытаний угар масла однозначно зависит от головной фракции.

Отмечается, что масла, имеющие одинаковую испаряемость, расходуются тем больше, чем выше их вязкость, а равновязкие масла расходуются тем больше, чем выше их испаряемость. Обе зависимости практически пропорциональны. У товарных масел обе эти характеристики взаимосвязаны. С уменьшением вязкости их испаряемость, как правило, увеличивается. Совокупность обеих характеристик приводит к тому, что расход масла имеет минимум, при котором оптимальным считается значение вязкости и испаряемости для каждого типа двигателей, что свидетельствует о целесообразности температурного регулирования.

Подтверждено большее влияние на расход масла частоты вращения двигателя, чем нагрузки, причем повышение скоростного режима увеличивает расход масла независимо от его испаряемости, а повышение нагрузки приводит к увеличению расхода только тех масел, в которых содержатся легкие фракции, выкипающие при 400 °С.

Существенно сказывается на потерях масла и на испарении температура цилиндра и соответственно температура охлаждающей жидкости. При температуре пленки на стенках цилиндра в пределах 250…350 °С, с увеличением температуры на 10 ° скорость испарения масла может изменится в 1,2…1,4 раза. Изучение зависимости давления насыщенных паров масла от температуры показывает, что у масел, существенно различающихся по фракционному составу, температура, при которой начинается интенсивное испарение, может также существенно отличаться, и это отличие достигает 50…80 °С.

Исходя из всего вышеизложенного, можно сделать вывод, что показатели качества моторного масла могут оказывать и оказывают существенное влияние на токсичность отработавших газов. Учитывая это, можно значительно снизить негативное влияние автомобильного транспорта на окружающую среду.

Список литературы

  1. Пучин Е. А., Дидманидзе О. Н., Корнеев В. М., Петровский Д. И. Технический сервис дизельной топливной аппаратуры. – М. : УМЦ «Триада», 2003. – 108 с.
  2. Итинская Н. И., Кузнецов H. A. Автотракторные эксплуатационные материалы – М. : Агропромиздат, 2007. – 271 с.
  3. Измайлов А. Ю., Дидманидзе О. Н., Митягин Г. Е., Карев А. М. Ресурсосбережение на автомобильном транспорте. – М. : ООО «УМЦ «Триада», 2016. – 84 с.
  4. Пуляев Н. Н., Коротких Ю. С. Влияние цетаноповышающих присадок на работу двигателей, работающих на дизельных топливах // Технические науки: проблемы и перспективы: материалы IV Междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, июль 2016 г.). ‑ СПб. : Свое издательство, 2016. ‑ vi, 134 с. – С. 91‑ 93.
  5. Шаталов К. В., Приваленко А. Н., Пуляев Н. Н., Дунаев С. В. Оценка уровня эксплуатационных свойств смазочных материалов // Международный научный журнал. – 2012. – № 3. – С. 103–106.
  6. Богданов В. С., Пуляев Н. Н., Коротких Ю. С. Технологии и средства обеспечения качества топливно-смазочных материалов в АПК. – М. : ООО «УМЦ «Триада», 2016. – 116 с.
  7. Лебедев Б. О. Теоретические основы процесса угара масла в дизелях и разработка мероприятий по его сокращению. – Новосибирск : НГАВТ, 1998. – 166 с.
  8. Амиров Я. С. Технико-экономические аспекты промышленной экологии. Ч. 4 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ekol.oglib.ru/bgl/36.html.
  9. Двигатель [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru-ecology.info/term/3180/.

Материал поступил в редакцию 23.02.2017
© Худашова А. И., 2017