Нітрація оливи в газових двигунах

Природа азотистих сполук

Органічні нітрати становлять найбільшу частку азотистих сполук у відпрацьованих оливах газових двигунів. Коли оливу закидає на стінки циліндрів і знімає масляне кільце, ці сполуки змиваються у картер, де вони відіграють основну роль в утворенні шламу та лаку. Вони розчинні в оливі доти, доки не буде досягнуто надмірного рівня, після чого вони випадають, утворюючи відкладення від світло-бурштинового до темно-бордового кольору навколо коромисла та клапанного механізму, а також на спідницях поршнів. Ці відкладення також спричиняють залипання маслознімних кілець, збільшують витрату оливи та скорочують ресурс фільтра.

Нітросполуки виникають унаслідок кількох умов: прориву газів повз поршень (blow-by) через залипання, зношення або поломку компресійних кілець; задирів чи зношення гільз до некруглості; або потрапляння вихлопних газів в оливу через значне зношення напрямних клапанів чи погану посадку клапанів. Інші причини включають: витоки через ущільнення турбокомпресора; критичні режими запалювання та згоряння в двигуні; або надмірно тривалий термін служби оливи.

Вища за очікувану концентрація нітросполук означає, що в оливі присутні непрореаговані гази оксидів азоту. Вони аномально загущують оливу та спричиняють передчасне випадання лаку й шламу, ознакою чого є червонуватий лак на спідниці поршня та шлам у нижніх канавках компресійних кілець і в маслознімних кільцях.

Причини нітрації

Існує кореляція між швидкістю нітрації оливи газового двигуна та поєднанням робочих умов, таких як співвідношення повітря/паливо, навантаження двигуна та температура оливи. Графіки 1, 2, 3 та 4 демонструють вплив цих чинників на нітрацію.

Оксиди азоту, що утворюються під час згоряння, також залежать від умов навколишнього повітря, моменту запалювання та кінцевої температури згоряння. Польові випробування показали, що нітрація зростає зі збільшенням температури навколишнього повітря та/або підвищенням навантаження. Хоча конкретних даних про ступінь впливу моменту запалювання на нітрацію немає, є вагомі підстави вважати його одним із найважливіших чинників.

Серед різних механічних умов, що впливають на швидкість нітрації, особливо важливі три: швидкість доливання свіжої оливи в картер; погана герметичність кілець; і вентиляція картера.

Хоча сама лише швидкість доливання оливи не впливає на нітрацію, розведення новою оливою та видалення нітрованої оливи через витоки змінюють швидкість, з якою основний об'єм картерної оливи сполучається з оксидами азоту й деградує. Чим вища швидкість доливання оливи в конкретному двигуні, тим повільнішою є швидкість деградації оливи.

Прорив газів згоряння в картер (blow-by) додає до накопичення нітросполук в оливі. Коли герметичність кілець погана, більше сильно нітрованої оливи мігрує назад у картер замість того, щоб виходити через випускний канал.

Випробування на лабораторних двигунах виявили кореляцію між зниженою вентиляцією картера та деградацією оливи. Це наводить на думку, що нітросполуки в оливі можуть швидше видалятися при покращенні вентиляції картера, що зменшує деградацію.

Вплив режимів роботи (Графіки 1–4)

Графік 1. Вплив співвідношення повітря/паливо на нітрацію. Зміна вмісту кисню у вихлопі чотиритактних безнаддувних двигунів від 0,5 до 2,5 та до 4,2 відсотка підтверджує, що низьку швидкість нітрації можна підтримувати, якщо рівень кисню перебуває поза діапазоном від 0,5 до 4,5 відсотка, причому нітрація сягає піку за 3,3 відсотка кисню.

Графік 2. Вплив навантаження на нітрацію за неправильного співвідношення повітря/паливо та 2,5 відсотка кисню у вихлопі.

Графік 3. Вплив навантаження на нітрацію. Збільшення з 75 до 105 відсотків номінального навантаження спричиняє дуже різке зростання нахилу кривої нітрації навіть за задовільного співвідношення повітря/паливо та вмісту кисню у вихлопі понад 4,6%.

Графік 4. Вплив температури оливи на нітрацію. Органічні нітрати швидко розкладаються при нагріванні до температур понад 300°F (близько 149°C).

Моделі деградації

Чотиритактні газові двигуни: органічні нітрати швидко розкладаються за температур понад 300°F. Вони є основною причиною деградації оливи в низькообертових (нижче 700 об/хв) чотиритактних газових двигунах, оскільки температура стінок циліндрів зазвичай нижча за 320°F навіть в агрегатах із випарним охолодженням. Там, де температура стінок циліндрів перевищує 320°F, вищі температури сприяють окисненню оливи, яке є основною причиною деградації оливи в малих високообертових чотиритактних газових двигунах.

Двотактні газові двигуни: окиснення є основною причиною деградації у двотактних двигунах з окремими системами змащування силових циліндрів. Нітровані продукти вимиваються через випускні канали, чим запобігається забруднення картерного заряду. Однак наявність навіть помірної нітрації в таких агрегатах є вагомою ознакою того, що надмірна подача оливи до циліндрів зчищається вниз у картер.

Виявлення

Візуальний огляд зони коромисла та клапанного механізму, а також спідниці поршня двигуна виявить лакові відкладення від бурштинового до темно-бордового кольору, характерні для нітрації. Нітрація також спричиняє залипання маслознімних кілець і утворення шламу в картері.

Показники роботи, такі як надмірна витрата оливи та скорочення ресурсу фільтра, можуть бути ознаками нітрації всередині двигуна.

Інфрачервоне поглинання, широко відоме як IR-сканування, є швидким, якісно точним методом диференціального аналізу, який визначає притаманні зміни хімічного складу у відпрацьованій оливі, а також кількість і природу забруднень. У цьому процесі зразок відпрацьованого мастильного матеріалу порівнюється з еталонним зразком нової оливи. Інфрачервоні промені проходять крізь кювети завтовшки 0,1 мм (0,003937 дюйма), що містять зразки. Реєструється чиста різниця в хімічному складі. Регулярна програма аналізу відпрацьованої оливи використовує інфрачервоне поглинання для визначення рівнів забруднення нітрацією, відстежуючи як тенденції, так і раптові зміни. Таблиця 1 показує незадовільні стани двигуна, які можуть бути спричинені нітрацією та нітросполуками, як їх виявляє аналіз оливи.

Усунення несправностей

Нижче наведено загальний посібник з усунення несправностей для різних станів нітрації.

Нітрація: перевірте тенденцію, що передує бракувальному значенню. Якщо значення є результатом поступового зростання, причиною може бути: а) суміш згоряння, яку можна покращити регулюванням співвідношення повітря/паливо; б) дещо знижена температура основного об'єму оливи; або в) незначні проблеми із запалюванням, такі як свічки запалювання, проводка чи момент запалювання. Швидке зростання значень нітрації спричиняється тими самими проблемами, але у більш тяжкому ступені. На двотактних двигунах перевірте надмірні швидкості подачі оливи в силові циліндри.

Схильність до нітрації: вказує на неправильне запалювання та згоряння, що може бути спричинене такими чинниками: несприятливе співвідношення повітря/паливо; нерівномірний розподіл паливо/повітря; погане продування; детонація або передзапалювання; незбалансовані навантаження та тиск спалаху; несправне запалювання, момент іскри, свічки запалювання; високий прорив газів (blow-by); негерметичні паливні клапани; високий тиск згоряння; перевантаження двигуна, неправильне охолодження; низькі температури оливи; надмірне зчищання оливи з циліндрів (для двотактних).

Нітросполуки: перевірте напрацювання в годинах після капремонту; значення зазвичай високі одразу після капремонту. Хоча ці значення не бракують оливу, вони свідчать про експлуатаційні проблеми. Можливі причини: прорив газів повз поршень або витік через ущільнення турбокомпресора; надмірні швидкості подачі оливи в силові циліндри (двотактні двигуни).

Усунення проблеми

Лабораторні випробування та аналізи польових зразків показують, що оливи газових двигунів стають непридатними для експлуатації, коли концентрація органічних нітратів наближається до п'яти відсотків. Надмірна кількість органічних нітратів діє як окиснювач, що швидко прискорює окиснення оливи. Подальше накопичення продуктів нітрації призводить до деградації оливи.

Перевірте співвідношення повітря/паливо: низьку швидкість нітрації можна підтримувати, якщо рівень кисню у вихлопі перебуває поза діапазоном від 0,5 до 4,5 відсотка, причому нітрація сягає піку за 3,3 відсотка кисню.

Температура оливи: зниження температури оливи зі 150°F до 135°F помітно посилює нітрацію. Це може бути зумовлено впливом нагрівання на масляну плівку, що піддається фіксації азоту. Температура оливи від двигуна не повинна бути нижчою за 150°F, а бажано вищою за 160°F, щоб органічна нітрація залишалася на помірному рівні. Органічні нітрати швидко розкладаються за температур понад 300°F; тому вони не утримуються в масляних плівках, коли температура стінки циліндра перевищує 320°F. Окиснення оливи, однак, безпосередньо пов'язане з високими температурами двигуна, як у високообертових чотиритактних газових двигунах, де температура стінок циліндрів перевищує 320°F.

Регулювання навантаження: високі навантаження та дисбаланс навантаження між циліндрами збільшують нітрацію. Збільшення з 75 до 105 відсотків номінального навантаження може різко підвищити нахил кривої нітрації.