Природа и характеристики загрязнений в системах охлаждения автотранспортных двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Природа и характеристики загрязнений в системах охлаждения автотранспортных двигателей

Драгомиров Сергей Григорьевич, доктор технических наук, профессор кафедры двигателей Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, Россия Драгомиров Михаил Сергеевич кандидат технических наук,

ООО «НТЦ «АвтоСфера» при ВлГУ», Россия Эйдель Павел Игоревич инженер

ООО «НТЦ «АвтоСфера» при ВлГУ», Россия

Гамаюнов Антон Юрьевич, инженер

ООО «НТЦ «АвтоСфера» при ВлГУ», Россия

Dragomirov S. G., doctor of engineering, professor, Vladimir State University, Russia Dragomirov M.S. candidate of technical Sciences L.L.C. "STC "AutoSphere" at Vladimir State University", Russia

Eydel P.Ig. engineer,

L.L.C. "STC "AutoSphere" at Vladimir State University", Russia

Gamayunov A. Y., Engineer,

LLC "STC "AutoSphere" at Vladimir State University", Russia

The nature and characteristics of the impurities in cooling systems of vehicle engines

Summary. The article discusses the sources and nature of contamination of coolant and engine cooling systems in General. 3 essentially possible ways of formation/receipt of impurity in the cooling system are analyzed. The estimation of each of these ways is given. The nature of contamination and the mechanism of formation of individual contaminants in the cavity of the cooling system are described. The data on the chemical and fractional composition of contaminants are presented. The conclusion is made about the dangerous influence of impurity on the operation of engines.

Keywords: motor autotransport engines, coolant, impurity, nature of impurity, chemical composition, fractional composition.

Аннотация. В статье рассматриваются источники и характеристики загрязнения охлаждающей жидкости и систем охлаждения двигателей в целом. Проанализированы 3 принципиально возможных пути образования/поступления загрязнений в систему охлаждения. Дана оценка каждого из этих путей. Описана природа загрязнений и механизм образования отдельных загрязнений в полости системы охлаждения. Приведены данные по химическому и фракционному составу загрязнений. Сделан вывод об опасном влиянии загрязнений на работу двигателей.

Ключевые слова: автотранспортные двигатели, охлаждающая жидкость, загрязнения, природа загрязнений, химический состав, фракционный состав. охлаждение двигатель загрязнение фракционный

Постановка проблемы

Критически острой проблемой в области систем жидкостного охлаждения автотранспортных поршневых двигателей является загрязнение охлаждающей жидкости (ОЖ) и всей системы в целом. Эта проблема существует с момента появления систем жидкостного охлаждения (СЖО). К сожалению, она до сих пор радикально не решена в современной науке и практике автоиндустрии, т.к. применяемые до настоящего времени технологии и устройства очистки ОЖ в процессе эксплуатации двигателей не соответствуют современным требованиям.

Между тем, непрерывно возрастающая структурная и конструктивная сложность современных СЖО [1,2] при одновременном повышении требований к их надежности и теплоотводящей функции в процессе непрерывного форсирования двигателей, обуславливают повышенные требования к чистоте ОЖ и системы охлаждения.

Анализ данных эксплуатации автотранспортной техники показывает, что от 25 до 40 % неисправностей и отказов двигателей приходится на СЖО [3,4]. Чаще всего неполадки в системе охлаждения появляются уже после 150...200 тыс. км пробега автомобиля. У тракторных двигателей и двигателей тяжелых грузовиков (а также автобусов), работающих обычно с 70.85% нагрузкой, из- за более тяжелых условий работы неполадки могут возникнуть уже после 500.700 часов эксплуатации.

К основным неисправностям СЖО относятся различные течи, разрушение прокладок и сальников, ошибки в срабатывании термостатов и датчиков, закупоривание проточных каналов радиаторов, блоков и головок цилиндров. В условиях эксплуатации в системе охлаждения и ее элементах протекают процессы кавитационной эрозии и химической коррозии, появляются отложения на теплопередающих поверхностях (накипь), образуются продукты разложения и выработки антифризов. Все это приводит к ухудшению передачи тепла от нагретых деталей двигателя в системе охлаждения, что может вызвать его перегрев и снижение энергетических показателей, а также значительно повышает риск выхода двигателя из строя.

Все указанные проблемы СЖО при эксплуатации автомобильных и тракторных двигателей в значительной степени обусловлены наличием в ОЖ загрязнений различной природы.

Анализ последних исследований и публикаций

Зарубежные исследования [3,5,6] (в России такие исследования не проводились) состава загрязнений антифриза выявили, что в них входят:

• продукты химической коррозии и кавитационной эрозии металлов;

• масляные и жировые отложения;

• частицы песка, грязи, силиконовых герметиков;

• продукты разложения антифриза (гели) и отработанных присадок;

• частицы накипи;

• фрагменты разрушившихся уплотнительных элементов.

Применение абсолютно чистой охлаждающей жидкости в СЖО транспортных двигателей практически невозможно, потому, что всегда будут существовать производственно-технологические и эксплуатационные условия, способствующие образованию загрязнений. Принципиально возможны только три пути появления загрязнений в ОЖ, в соответствии с которыми сами источники загрязнений можно классифицировать на [7]:

1. производственно-технологические (образуются в процессе производства двигателей);

2. внешние эксплуатационные, вносимые в СЖО извне в процессе работы;

3. внутренние эксплуатационные, образующиеся в СЖО в процессе работы.

Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы

На сегодняшний день найдено эффективное, простое и надежное решение проблемы очистки ОЖ [8], однако открытым остается вопрос о природе и характере загрязнений, образующихся в СЖО автотранспортных поршневых двигателей.

Выявление характера загрязнений и определение природы их происхождения являются важной информацией для создания эффективной технологии предотвращения загрязнений или очистки ОЖ в процессе эксплуатации двигателей.

Нами опытным путем установлено, что первый источник вносит пренебрежимо малую долю загрязнений, т.к. в процессе производства двигателей предпринимается целый ряд специальных технологических мер, направленных на очистку деталей и узлов двигателей от загрязнений (металлических опилок и стружки, окалины, грязи, формовочного песка и т.п.). Для этого используется виброочистка блоков цилиндров и головок, мойка деталей с применением поверхностно-активных веществ, продувка каналов и полостей сжатым воздухом и др.). В связи с этим этот источник загрязнений СЖО можно обоснованно считать малозначащим.

Второй источник - внешние эксплуатационные загрязнения, попадающие в СЖО в процессе работы - полностью зависит от культуры эксплуатации автомобильной техники. При должной культуре внешние загрязнения, попадающие в СЖО при эксплуатации, также можно свести к минимуму.

Таким образом, наибольший интерес для анализа представляет третий источник загрязнения системы - образование (генерация) различных загрязнений внутри самой СЖО в процессе эксплуатации двигателя.

Цель статьи

Целью статьи является изложение результатов исследований по определению природы и химического состава загрязнений охлаждающей жидкости автотранспортных двигателей, образующихся в процессе эксплуатации в полости системы охлаждения.

Изложение основного материала

Наши исследования показывают, что внутри самой СЖО образуются загрязнения различной природы и характера, источниками которых являются следующие процессы.

Химическая коррозия металлических (как черных, так и цветных металлов) элементов СЖО является одним из наиболее существенных источников загрязнений системы [9-11].

Химическая коррозия - это процесс взаимодействия металла с коррозионной средой, при котором окисление металла и восстановление окислительного компонента среды протекают единовременно в одном акте. Продукты взаимодействия пространственно не разделены

Кавитационная эрозия - известный процесс разрушение металла, обусловленный ударным воздействием внешней жидкой среды [13]. В СЖО двигателей кавитация протекает в ходе образования и «схлопывания» пузырьков пара в жидкости, находящейся в состоянии, близком к кипению. В момент «схлопывания», давление и температура газа достигают значительных величин (по некоторым данным до 100 МПа и 1000 °С). После «схлопыва- ния» полости в окружающей жидкости распространяется сферическая ударная волна, быстро затухающая в пространстве и сопровождающаяся отрывом частичек металла от поверхности детали.

Кавитационной эрозии могут подвергаться как черные металлы (сталь, чугун), так и алюминиевые сплавы [12]. Пластиковые элементы СЖО более стойки к кавитационной эрозии.

Электрохимическая коррозия - это процесс взаимодействия металла с коррозионной средой (раствором электролита), при которой ионизация атомов металла и восстановление окислительной компоненты коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала.

По характеру изменения поверхности металла или сплава различают несколько видов коррозионных разрушений [10-12]: сплошная равномерная или неравномерная, структурно-избирательная, пятнами, язвами, точками (питтинговая), подповерхностная, межкристальная.

Практически большинство их этих видов коррозии обнаружено нами при исследовании СЖО в эксплуатационных условиях (рис. 1).

Рис. 1. Коррозионные отложения на элементах СЖО

Причинами, обусловливающими кавитационную эрозию в СЖО, может быть перегрев ОЖ, образование зон разрежения в потоках, вибрация отдельных элементов (например, так называемой «мокрой» гильзы цилиндра) и др.

Нами обнаружены серьезные последствия кавитационной эрозии в СЖО автотранспортных двигателей (рис.2).

Рис. 2. Последствия кавитационной эрозии в элементах СЖО

Кавитационная эрозия может быть предотвращена или снижена путем исключения условий для образования кавитационных явлений, подбором материалов, хорошо противостоящих кавитации, использованием специальных покрытий, специальными химическими добавками в ОЖ для снижения кавитации (типа зарубежных присадок SCA (Borate-Nitrite) и DCA-4 (Phosphate-molybdate)).

Следует отметить, что загрязненная жидкость более склонна к проявлению кавитационных явлений, т.к. мелкие твердые частички загрязнений становятся центрами возникновения кавитационных пузырьков [13]. Таким образом, с повышением загрязнения ОЖ вероятность возникновения кавитационных явлений существенно возрастает.

Масляные и жировые отложения могут возникнуть в СЖО при попадании моторного масла в ОЖ. Это может произойти при разрушении прокладок, при ослаблении затяжки прокладок и т.п.

Продукты разложения антифриза и отработанных присадок могут появиться как результат старения антифриза или при использовании некачественного антифриза.

Старение антифриза и его разложение с образованием характерного осадка является естественным процессом [14]. Для предотвращения последствий старения антифриза необходима его регулярная замена и постоянный контроль его состояния в процессе эксплуатации.

Часто в эксплуатации можно столкнуться с некачественным антифризом, в состав которого входят такие недопустимые компоненты, как глицерин и метиловый спирт. В этом случае антифриз, кроме своего быстрого разложения и превращения в бурую жидкость повышенной вязкости, может вызвать разъедание деталей СЖО из алюминиевых сплавов.

Образование накипи является характерным процессом для СЖО автотранспортных двигателей. Физико-химические процессы образования накипи можно разделить на 2 стадии:

- возникновение первичных зародышей микрокристаллов в твердой фазе;

- процесс роста зародышей, результатом которого является образование плотных отложений.

Вероятность образования накипи при применении современных антифризов целиком и полностью определяется качеством воды, входящей в состав антифриза. При использовании дистиллированной воды хорошего качества образование накипи можно свести к нулю.

Разрушение уплотнительных элементов может происходить из-за их старения в условиях тяжелой эксплуатации. В этом случае возможно как нарушение герметичности внутренних каналов в двигателе, так и попадание фрагментов этих элементов в СЖО.

На рис. 3 в качестве примера показан элемент термостата с разрушимся уплотнительным элементом.

Рис. 3. Клапан термостата с разрушившимся уплотнительным резиновым элементом

Результаты эксплуатационных испытания разработанного нами гидроциклонного фильтра-сепаратора позволили непосредственно установить фракционный и химический состав загрязнений в СЖО городских автобусов (MAN, Mercedes).

Кроме источников образования загрязнений внутри СЖО, представляет интерес их фракционный и химический состав.

Для фракционного анализа загрязнений использовался комплект лабораторных сит (7 штук) производства ООО «Вибротехник», г. Санкт-Петербург. Все сита имели диаметр 128 мм и высоту 37,5 мм. Просеивающая поверхность сетки нормальной точности в соответствии с ГОСТ 6613-86 (ТУ-14-4-167-91). Размер ячеек сит составлял от 1500 до 50 мкм.

Далее каждая из фракций эксплуатационных загрязнений подвергалась химическому анализу с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра последовательного анализа ARLADVANT'X (Thermo Scientific (США), № 38436-08 в Государственном реестре средств измерений). Эти исследования проводились в Центре «Функциональные наноматериалы» кафедры «Литейные процессы и конструкционные материалы» Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых.

Нельзя не заметить значительного количества частиц железа среди загрязнений - от 13,7 до 47,1%. Особенно много частиц Бе в группах 450.. .750 мкм, 250...450 мкм, 100.250 мкм, 50.100 мкм. То есть это довольно крупные частицы с размерами 700.50 мкм. Природа их появления в антифризе - кавитационные и коррозионные разрушения гильз цилиндров двигателей и других деталей из черных металлов.

Кроме этого обращает на себя внимание значительное количество кремния 81 (песка) в общей массе загрязнений - от 14,4 до 36,7%. Наличие песка в антифризе может быть объяснено как производственно-технологическими причинами его попадания в рубашку двигателя (при его изготовлении), так и внешним путем внесения вследствие невысокой культуры эксплуатации техники.

Наличие в загрязнениях частиц свинца РЬ и олова 8п объясняется содержанием этих элементов в припое, которым пропаиваются радиаторы двигателя и отопителя. Таким же путем может попадать и цинк 2п в состав загрязнений.

Появление частиц алюминия А1 является следствием кавитационной эрозии деталей двигателя из алюминиевых сплавов.

В процессе исследований было обработано 10 проб из разных фильтров (в каждой пробе представлены все фракции с размером частиц от 50 до 1500 мкм). Результаты химического анализа сведены в обобщающую таблицу.

Следует отметить, что у различных объектов испытаний (автобусов) нет большого различия в химическом составе загрязнений (за редким исключением), что свидетельствует о некоторых внутренних закономерностях образования загрязнений в близких условиях у сходных объектов.

Таблица

Обобщенные данные по относительному химическому составу твердых частиц загрязнений, содержащихся в антифризе

Примечание: кроме указанных химических элементов в твердых загрязнениях присутствуют на уровне менее 1,0% (масс.) такие химические элементы, как калий К, натрий ^, титан Н, фосфор P, сера S, хром ^, молибден Mo, хлор О, иридий П, никель М, марганец Mn и др. Незначительное содержание этих элементов можно считать фоновым и не принимать во внимание.

Частицы кальция Са входят в состав накипи, отлагающейся на стенках системы охлаждения двигателя при использовании некачественного антифриза.

Частицы меди Си и магния могут содержаться как в припое, используемом при сборке радиатора, так и в других элементах двигателя.

Обобщенно анализируя состав загрязнений, можно отметить, что наиболее опасными и присутствующие в значительных количествах являются частицы железа Бе и кремния 81. То есть, по сути, антифриз представляет собой своеобразный раствор абразива, действующего на внутреннюю поверхность различных радиаторов, сальник насоса, крыльчатку, клапан термостата и др. Это воздействие может быть весьма опасным и приводить к выходу элементов двигателя из строя.

Выводы и предложения

1. Обобщенной причиной появления загрязнений различной природы в СЖО является физикохимическое взаимодействие ОЖ (антифриза) с различными элементами и разнородными материалами системы охлаждения.

2. Применение абсолютно чистой охлаждающей жидкости в СЖО автотранспортных двигателей практически невозможно, потому, что всегда будут существовать эксплуатационные условия, способствующие образованию загрязнений.

3. Суспензия антифриза с твердыми частицами загрязнений представляет собой по сути абразив, действующий на внутреннюю поверхность элементов системы охлаждения, что может быть весьма опасным и приводить к выходу этих элементов из строя. В связи с этим в составе автотранспортных средств должны быть использованы высокоэффективные фильтры охлаждающей жидкости, удаляющие эти загрязнения из потока.

Список литературы

1. Системы охлаждения поршневых ДВС: монография / И.Е. Иванов и др. - М.: МАДИ, 2015. - 168 с.

2. Системы охлаждения тракторных и автомобильных двигателей. Конструкция, теория, проектирование /А.И. Якубович и др. - Минск: Новое знание; М.: ИНФРА-М, 2014. - 473 с.

3. Руководство по продуктам для системы охлаждения. - Cummins Filtration, 2009. - 8 с.

4. Engine cooling. - Behr Hella Service GmbH., 2008, 52 pp.

5. Engine Liquid Filtration. - Minneapolis: Donaldson Company Inc., 2014, 156 pp.

6. Eaton E.R., Duvnjak E. Examinations of Extended Life Heavy Duty Engine Coolant Filters // SAE Pap. 2004-01-0157. 10 pp.

7. Драгомиров С.Г. и др. Высокоэффективная фильтрация охлаждающей жидкости - новое перспективное направление совершенствования транспортных двигателей. - Разработка и производство двигателей и других агрегатов и систем с применением информационных технологий. - М.: Издат. Дом «Научная библиотека», 2015. - 315 с.

8. Патент РФ на изобретение № 2625891 «Гидроциклонное устройство для очистки от твердых частиц загрязнений охлаждающей жидкости поршневых двигателей // Драгомиров С.Г., Драгомиров М.С., Эйдель П.И., Гамаюнов А.Ю., Селиванов Н.М. - 2017. - 10 с.

9. Борисов Г.А., Маслова Л.А. Повышение коррозионной стойкости конструктивных материалов системы охлаждения автотракторных двигателей / Г.А. Борисов, Л.А.Маслова // Вестник Рязанского государственного агро-технического университета. - 2011. - №2(10). - С.51-56

10. Ярославцева О.В. Коррозия и защита металлов / О. В. Ярославцева, Т. Н. Останина, В. М. Рудой, И. Б. Мурашова // Екатеринбург: Изд-во Уральского федерального ун-та, 2015. - 90 с.

11. Лазуткина О. Р. Химическое сопротивление и защита от коррозии

/О. Р. Лазуткина// - Екатеринбург: Изд-во Урал. федерального ун-та, 2014. - 140 с.

12. Семенова И.В. и др. Коррозия и защита от коррозии /И.В. Семенова, Г.М. Флорианович, А.В. Хорошилов// - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 416 с.

13. Смородов Е.А. и др. Физика и химия кавитации / Е.А Смородов., Р.Н. Галиахметов, М.А. Ильгамов//- М.: Наука, 2008. -- 208 с.

14. Наглюк М.И. и др. Уточнение сроков смена антифризов при эксплуатации/ М.И.Наглюк и др.//Мшвуз1вський збфник «Науков1 нотатки». - Луцьк, 2014. - Вип № 45. - С.371-375

Размещено на Allbest.ru