ZANIECZYSZCZENIA OLEJU SMARUJĄCEO ORAZ ICH WPŁYW NA TRWAŁOŚĆ SILNIKA SPALINOWEGO

Transkrypt

1 Andrzej NIEWCZAS, Jan WRONA, Rafał WRONA ZANIECZYSZCZENIA OLEJU SMARUJĄCEO ORAZ ICH WPŁYW NA TRWAŁOŚĆ SILNIKA SPALINOWEGO Streszczenie Czynnik smarujący jest jednym z zasadniczych elementów układu smarowania silnika, który decyduje o uzyskiwanych parametrach roboczych i czasokresie użytkowania silnika spalinowego. Cieplnie i mechanicznie obciążony silnik spalinowy wymaga skutecznego smarowania węzłów ciernych i skutecznej filtracji oraz samoregeneracji oleju smarującego. Liczne i różne zanieczyszczenia czynnika smarującego mogą powodować przyspieszone zużycie silnika i skrócenie jego przebiegu eksploatacyjnego. W publikacji przedstawiono analizę wpływu zanieczyszczeń oleju smarującego na trwałość podstawowych elementów silnika spalinowego takich jak: rozrząd, mechanizm korbowo-tłokowy i komora spalania. W artykule podniesiono także problem oddziaływania niektórych czynników eksploatacyjnych na proces starzenia się oleju smarującego we współczesnym silniku spalinowym. WSTĘP Niezależnie od rodzaju silnika spalinowego jego poprawne funkcjonowanie zależy od układu smarowania, którego działanie powinno zapewnić prawidłową pracę silnika w każdych warunkach obciążenia, stanu cieplnego i warunków otoczenia. Jednym z podstawowych zadań układu smarowania jest doprowadzenie oleju do wszystkich par ciernych silnika, pod odpowiednim ciśnieniem zapewniającym prawidłową współpracę obciążonych dynamicznie i cieplnie części ruchomych. Ważną rolę w procesie eksploatacji silnika odgrywa czynnik smarujący. Praktyka i wyniki licznych badań wskazują, że każdy olej smarujący w procesie użytkowania silnika ulega starzeniu, a także zanieczyszczeniu substancjami pochodzącymi z otoczenia silnika oraz produktami zużywania się współpracujących ze sobą części silnika. Nadto olej smarujący w procesie użytkowania silnika ulega utlenianiu oraz rozcieńczeniu paliwem zasilającym silnik. Określone wyżej warunki pracy czynnika smarującego, funkcje i zadania układu smarowania mają istotny wpływ na przebieg i trwałość silnika. Szczególnie istotna dla zakładanego przebiegu silnika jest skuteczność samooczyszczania się oleju smarującego, wspomagana systemem filtracyjnym zainstalowanym w układzie smarowania. Z punktu widzenia konstrukcji silnika oraz ze względu na stopień obciążenia jego elementów największy wpływ na zanieczyszczenia oleju smarującego ma mechanizm korbowo-tłokowy i system przewietrzania skrzyni korbowej. Z wielu doświadczeń rzeczoznawców samochodowych wynika, że spadek ciśnienia oleju lub brak dopływu czynnika smarującego do węzłów ciernych mechanizmu tłokowo-korbowego skutkuje najczęściej trwałym uszkodzeniem silnika spalinowego. Negatywne skutki dla silnika i przyspieszone zużycie jego elementów ciernych wywołane jest zazwyczaj pogorszeniem własności olejów smarujących i nadmier- AUTOBUSY 1

2 nym zwiększeniem zanieczyszczeń w oleju oraz w elementach ciśnieniowych układu smarowania silnika spalinowego. 1. RODZAJE ZANIECZYSZCZEŃ OLEJU SMARUJĄCEGO Rys. 1. Rodzaje zanieczyszczeń oleju smarującego Utlenianie oleju następuje pod wpływem równoczesnego działania tlenu zawartego w powietrzu atmosferycznym oraz temperatury wyższej od temperatury otoczenia. W wyniku utleniania oleju tworzą się nadtlenki tj. nietrwałe związki organiczne, które ulegają dalszemu rozkładowi na nowe związki jak: żywice, asfalteny, karbeny, karboidy, sadzę i kwasy organiczne. Proces utleniania rozpoczyna się od o C, zaś dalszy wzrost temperatury oleju o każde 10 o C wywołuje podwojenie szybkości reakcji chemicznych pomiędzy tlenem a olejem, przy czym reakcje te zachodzą najszybciej w temperaturze powyżej 150 o C. Przekroczenie temperatury 300 o C powoduje rozkład termiczny oleju połączony z jego koksowaniem i spalaniem. W tym miejscu należy zauważyć, że współczesne silniki spalinowe są obciążone cieplnie i mechanicznie, których elementy jak dolne powierzchnie cylindrów mają temperaturę od 150 do 540 o C, a trzonki zaworów i panewki korbowe od 100 do 210 o C. Przebieg utleniania oleju nie zależy wyłącznie od jego temperatury ale także od składu chemicznego oleju oraz od czasu i powierzchni stykania się z powietrzem. Istotny wpływ na szybkość reakcji utleniania się oleju ma ciśnienie i katalityczne oddziaływanie metali jak miedź, ołów, żelazo i magnez. Obojętne reagują natomiast aluminium i cyna. Rozpuszczalne produkty utleniania termicznego rozkładu i spalania krążą wraz z olejem w układzie smarowania silnika. Natomiast nierozpuszczalne tworzą osady unoszone przez olej lub osadzające się trwale na różnych elementach silnika. Wymienione wyżej osady typu nagar i laki mogą być także wynikiem niezupełnego spalania. Zgromadzony na powierzchni tłoków i zaworów oraz na wewnętrznych powierzchniach komór spalania nagar może negatywnie wpływać na pracę i parametry robocze silnika. Tworzeniu się nagaru sprzyjają także spaliny kierowane poprzez zawór EGR. Warstwy nagaru osadzone w komorze spalania silnika zmniejszają jej objętość, co ma wpływ na stopień sprężania silnika i zmniejszenie możliwości jego chłodzenia. Rozżarzone cząstki nagaru mogą powodować niekontrolowany zapłon, a to pogarsza przebieg procesu roboczego i ma wpływ na parametry robocze silnika. Nagromadzony na powierzchni wewnętrznej komory spalania nagar może utrudniać chłodzenie silnika. Szczególnie niekorzystne jest nagromadzenie nagaru na grzybkach zaworów, co skutkuje ich deformacją, wypalaniem i rozszczelnieniem komory spalania. Inny rodzaj substancji węglowych, które osadzają się na części pierścieniowej tłoków i na korbowodach są laki, które tworzą trwałą i trudno usuwalną błonę. 2 AUTOBUSY

3 Rys. 2. Laki nagromadzone na powierzchniach elementów silnika Nagromadzone na powierzchniach elementów tłokowo-korbowych laki pogarszają warunki pracy silnika, głównie węzła tłok-tuleja-pierścienie, utrudniając odprowadzenie ciepła, przegrzewanie się elementów oraz zapiekanie pierścieni w rowkach pierścieniowych, co może prowadzić do zacierania się tłoków. Niektóre osady i produkty utleniania wytrącone z oleju silnikowego osadzają się w kanałach olejowych, utrudniają przepływ oleju i odprowadzenie ciepła od nagrzanych elementów silnika razem z czynnikiem smarującym. Szkodliwe dla stopów łożyskowych jest działanie kwasów organicznych, które wymywają ze stopu łożyskowego ołów i osłabiają strukturę panewek łożyskowych. W zaistniałej sytuacji stop łożyskowy jest podatny na wykruszenie i niszczenie. Na rys. 3 zilustrowano korozyjne uszkodzenia panewek jako skutek obecności kwasów organicznych w oleju smarującym. Rys. 3. Korozyjne uszkodzenie panewek z brązu ołowiowego pod wpływem kwasów organicznych zawartych w paliwie Oprócz wymienionych wyżej zanieczyszczeń oleju smarującego do miski olejowej może przedostawać się paliwo, które rozrzedza czynnik smarujący i pogarsza warunki smarowania par ciernych silnika. Nadto do leju mogą przedostawać się inne nieorganiczne zanieczyszczenia wraz z dostarczanym do silnika powietrzem jak pył unoszony z powietrzem, cząstki metali i fragmenty korozji wytrącanych ze współpracujących par kinematycznych. W dostarczanym do silnika powietrzu istnieją tlenki i węglany oraz krzem, aluminium, żelazo, wapń i magnez. Tlenki krzemu stanowią od 50 do 90% całkowitych zanieczyszczeń w powietrzu. Z tego powodu zanieczyszczenia nieorganiczne działając szkodliwie przyspieszają zużycie par ciernych. Znane są przykłady zużycia przedwczesnego silników zabudowanych w ciężarowych samochodach samowyładowczych pracujących przy wywozie piachu, których przebiegi eksploatacyjne wynosiły maksymalnie do ok tys. km z uwagi na przedwczesne zużycie węzła tłokowego. Kolejny składnik eksploatacyjnych wtrąceń do olejów smarujących AUTOBUSY 3

4 jest woda, która w połączeniu z olejem tworzy tzw. szlam. Nagromadzenie się na elementach silnika szlamu ilustruje rys. 4. Rys. 4. Szlam spotykany w olejach silnikowych Zanieczyszczenia i procesy chemiczne zachodzące w oleju powodują starzenie się oleju, które objawia się zmianą jego własności w tym lepkości oraz zmianą barwy i zapachu (rozpoznaje się zapach spalin w zużytym oleju smarującym). Czynniki wpływające na intensywność gromadzenia się zanieczyszczeń w oleju to przede wszystkim: rodzaj i jakość paliwa, rodzaj silnika i jego konstrukcja, stan techniczny silnika, warunki pracy i eksploatacji silnika, jakość oleju smarującego. Istnieją także i inne przyczyny zwiększania ilości zanieczyszczeń układu smarowania silnika wywołane problemami technicznymi smarowania przy końcu okresu trwałości oleju silnikowego. Tworzące się wówczas osady zagęszczają olej i tworzą ciemny szlam. Ścianki cylindra ulegają także glazurowaniu w czasie krótkich przejazdów, kiedy olej nie osiągnie swojej normalnej temperatury roboczej, wówczas nie wszystkie dodatki mogą pełnić swoją rolę ochronną. Zdarza się to często w nowych silnikach oraz przy niskich obciążeniach silnika. Kilka dodatków w oleju silnikowym uaktywnia się, kiedy osiągnięta jest właściwa temperatura jego pracy, przy której dodatki reagują chemicznie z olejem silnikowym. Przedmuchy gazów do skrzyni korbowej także mają wpływ na osady gromadzone na ściankach cylindra. Razem z przedmuchami gazów do skrzyni korbowej do oleju dostają się tlenki azotu (NO x ), które powodują utlenianie się oleju smarującego tworząc szlam. Osady te nie uszczelniają komory spalania ponieważ pierścienie tłokowe nie przylegają do powierzchni cylindra i czynią zwiększony przedmuch gazów do skrzyni korbowej. Opary oleju mogą także być przemieszczone w suwie ssania nad tłok pomiędzy ścianką cylindra i tłokiem, czyniąc zwiększone zużycie oleju. W silnikach doładowanych oraz posiadających recyrkulację spalin osad może powodować zawieszanie się zaworów ze względu na opary oleju wracające w suwie napełniania cylindrów. Silnik samochodu eksploatowany mało intensywnie i o małym przebiegu wymaga corocznej wymiany oleju z uwagi na czas eksploatacji pojazdu a nie ze względu na przejechane kilometry. Samochody mało używane i na krótkich dystansach powodują, że podczas krótkiej pracy silnika (z nie ustabilizowaną temperaturą) duża ilość cząstek paliwa i pary wodnej trafia do oleju w sytuacji niskiej jego temperatury. To zaś czyni, że paliwo i para wodna nie ulega kondensacji i nie odparowują pozostając w oleju. Gdyby natomiast silnik był silnie obciążony i na dużych przebiegach wówczas gorący olej silnikowy spowoduje, że cząstki paliwa i woda wyparowałyby i zostałyby usunięte przez system wentylacji 4 AUTOBUSY

5 skrzyni korbowej do układu dolotowego. W obrocie materiałów eksploatacyjnych istnieją propozycje stosowania uszlachetniaczy olejowych (Forte Oil Treatment) lub środków oczyszczających (Forte Motor Flush). Brak jest jednak wiarygodnych wyników badań wynikających ze stosowania tych preparatów co skłania do wyważonych decyzji w kwestii ich stosowania do konkretnych silników spalinowych. Zgłaszane są do rzeczoznawców samochodowych liczne przypadki, że zakupiony na giełdzie samochód po niewielkim przebiegu i wymianie oleju nagle nadmiernie zwiększył ilościowe zużywanie oleju smarującego. Zjawisko to może być wywołane wcześniejszym stosowaniem uszlachetniaczy olejowych w celu tzw. doszczelnienia elementów ciernych silnika. Z uwagi jednak na liczne dodatki znajdujące się w produkowanych współcześnie olejach silnikowych wskazane jest utrzymanie procedury zalecanej przez producenta silnika odnośnie możliwości stosowania i zamiany czynnika smarującego. W tym miejscu należy dodać, że czynnik smarujący został dobrany z uwagi na cechy konstrukcyjne silnika, jego właściwości eksploatacyjne oraz uwzględniające system filtracji oleju i budowę całego układu smarującego. Podsumowując zatem całość podjętych zagadnień eksploatacyjnych, można sformułować następujący wniosek ogólny, że realizacja założonego przebiegu międzynaprawczego silnika zależy silnie od sposobu użytkowania silnika, poprawności obsługi, oraz od degradacji eksploatacyjnej czynnika smarującego i od zawartych w nim zanieczyszczeń. BIBLIOGRAFIA: 1. Lawrowski Z.: Tribologia, tarcie, zużycie i smarowanie. Politechnika Wrocławska, Wrocław Kozaczewski W.: Konstrukcja grupy tłokowo-korbowej silników. WKiŁ, Warszawa CONTAMINATION OF OIL AND ITS INFLUENCE ON THE DURABILITY OF IC ENGINE Abstract Lubricating medium is one of the essential elements of the engine lubrication system, which determines the obtained performance and the general working time limit of an internal combustion engine. Dynamically, thermally and mechanically loaded internal combustion engine requires efficient lubrication of friction knots as well as effective filtration and self regeneration of lubricating oil. Numerous and various kinds of lubricating oil inclusions can accelerate engine wear and reduce its assumed mileage. The paper presents the analysis of lubricating oil contamination on the durability of the basic components of the internal combustion engine such as the timing, crank-piston assembly, combustion chamber. The paper also raised the problem of the impact of some operational factors on the process of wear of the lubricating oil in the modern combustion engine. Recenzent: prof. dr hab. inż. Marek Opielak Autorzy: prof. dr hab. inż. Andrzej NIEWCZAS - Wyższa Szkoła Ekonomii i Innowacji w Lublinie dr inż. Jan WRONA - Wyższa Szkoła Ekonomii i Innowacji w Lublinie mgr inż. Rafał WRONA - Wyższa Szkoła Ekonomii i Innowacji w Lublinie AUTOBUSY 5