Однако известные преимущества форсирования (меньшие габариты, меньшая масса двигателя, более высокий к.п.д., меньшая стоимость на единицу мощности и ряд других) оказывают решающее влияние на развитие современного отечественного и мирового двигателестроения.
Из всех систем современного двигателя наиболее важное значение для его надежности, долговечности и экономичности имеет масляная система. Как правило, форсирование дизелей производится без увеличения объема масляной системы. Поэтому резко возрастающее количество тепла приходится отводить от поршня прежнему количеству масла.
При этом наблюдается значительное повышение температуры поршня. Возрастают удельные тепловые потоки в масляную пленку, особенно в зоне поршневых'колец. Возрастание среднего эффективного давления всегда сопровождается повышением температуры и давления процесса сгорания. Помимо этих двух факторов, также следует учитывать третий фактор - парциальное давление кислорода, которое также возрастает с повышением среднего эффективного давления. Изменение парциального давления кислорода ведет к значительному увеличению количества кислорода в цилиндрах двигателей при их форсировании.
Рассматривая полную схему циркуляции масла в узлах трения двигателя, можно выделить две характерных зоны работы масла, которые резко отличаются по своим физико-химическим условиям:
- 1. Высокотемпературная зона - зона цилиндровой втулки и поршневых колец.
- 2. Низкотемпературная зона - зона картера и масляной системы с относительно низкими температурами и давлениями кислорода.
Наиболее напряженной зоной работы масла, несомненно, является высокотемпературная зона.
Процессы в высокотемпературной и низкотемпературной зонах имеют постоянную физическую и химическую взаимосвязь. Собственно, идет единый сложный процесс, который обычно называют старением масла в двигателе. Процесс старения характеризуется скоростью и глубиной изменения параметров состояния свежего масла (начальных физико-химических свойств) при его работе в дизеле. Очевидно, что для тронковых дизелей главной причиной старения является интенсивное воздействие на масляную пленку (в зоне ЦПГ) внешних факторов рабочего процесса.
Наиболее опасным процессом в ЦПГ двигателя является закоксовывание поршневых колец, потеря их подвижности. Данный процесс можно представить как нестационарный, проходящий четыре основные фазы:
- 1. Нормальная работа поршневого кольца.
- 2. Образование и рост нагаролакоотложений в зоне "кольцо-масло-канавка" (КМК).
- 3. Образование перемычек и прихваты кольца в канавке.
- 4. Закоксовывание кольца, потеря подвижности и нарушение тепло- и маслообмена в зоне КМК.
В целом кинетика процесса для различных условий работы системы "двигатель-масло-топливо" (ДМТ) может качественно меняться. При нормальных условиях работы триады КМК наиболее характерна первая и вторая фазы; третья и четвертая фазы закоксовывания иногда могут и не наблюдаться. Например, когда моторное масло достаточно высокого качества. Для жестких условий работы зоны КМК кинетика процесса меняется, первая и вторая фазы значительно сокращаются по времени, быстрее наступает третья фаза. Продолжительность каждой фазы отдельно взятой системы ДМТ может изменяться по времени в достаточно большом диапазоне и будет зависеть от комплексного влияния внешних и внутренних факторов. Рассмотрим схему действия внешних и внутренних факторов.
В первой фазе при нормальной циркуляции масла в зоне КМК и нормальном теплоотводе на ее поверхностях образуется пограничный адсорбированный слой заряженных молекул смол и активных компонентов присадки с донорным и акцепторным действием. В зоне КМК идут процессы адсорбции тепло- и маслообмена. Эффективность антиокислительного и моющего действия масел способствует созданию на металлических поверхностях зоны КМК заряженных слоев, которые препятствуют образованию отложений. Одновременно в этой зоне проходит солюбилизация и диспергирование углистых и других частиц, которые поступают в эту зону извне или образуются в ней. В масло из зоны цилиндра поступают кислород, твердый углерод (сажа), активные продукты сгорания (АПС).
Вторая фаза - рост лаковых отложений на наиболее горячих поверхностях канавки и кольца. Лако- и смолообразование сопровождается местным повышением вязкости, уменьшается зазор по высоте (h) между кольцом и канавкой, возрастает гидравлическое сопротивление движению масла и уменьшается скорость его циркуляции, что ведет к перегреву масла в зоне КМК. При этом замедляется действие некоторых внешних факторов и создаются такие условия в канавке, которые способствуют более глубокому окислению и термодеструкции углеводородов масла. С уменьшением притока масла и повышением его температуры оно достигает критической температуры нагаролакообразования.
Третья фаза - образование перемычек и прихват кольца, связанные с интенсивным образованием продуктов термического распада углеводородов масла (крекинг-процесс).
Разрушение молекул углеводорода масла может идти в двух направлениях:
- 1. Термокрекинг, когда углеводороды разлагаются без заметного окисления из-за недостатка воздуха.
- 2. Разрушение - в результате соприкосновения углеводородов масла с активной средой (пламенем). Пламя (комплекс активных радикалов), прорываясь между стенкой цилиндра и поршнем, соприкасается с углеводородом масла. Радикалы обладают большой кинетической энергией и химически реакционной способностью. Совокупность имеющихся сведений приводят к представлению о глубоком крекинге, как некотором сложном комплексе взаимно связанных радикальноцепных процессов крекинга, полимеризации и конденсации углеводородов.
На основе работ Брукса и Тейлора механизм образования масляного кокса в зоне поршневых колец можно представить следующим образом. Сначала в результате радикально-цепных реакций в жидкой фазе накаливаются смолы и асфальтены, которые претерпевают "фазовый переход", что приводит к образованию кристаллитов твердого кокса. Выделение фазы асфальтенов может происходить при достижении "пороговой концентрации". Очевидно, что при насыщении зоны поршневых колец асфальтенами образуются молекулярные комплексы (агрегаты), которые при плохой растворяющей способности смазочного масла в высокотемпературной зоне могут подвергаться реакциям уплотнения с образованием углерода. Показано, что температура полного перехода нефтяных масел в молекулярно-дисперсное состояние достигает 250°С. Эта температура характерна для высокофорсированных дизелей в зоне верхнего поршневого кольца.
Третья фаза характеризуется прежде всего тем, что здесь активно идет процесс образования масляного кокса. Ввиду неравномерного распределения температур по канавке кокс образуется на наиболее горячих поверхностях. Образовавшиеся местные нарушения тепло- и маслообмена в канавке способствуют расширению зон образования асфальтенов, переходящих в масляный кокс. Зазор между кольцом и канавкой уменьшается, и в зонах, где она приближается к нулю возможен местный прихват кольца в канавке. Это способствует нарушению нормального вращения кольца в канавке и более глубоким термическим превращениям в зонах максимальной температуры. Процесс прихватывания кольца, очевидно, будет проходить периодически в течение длительного времени.
Таким образом, создаются предпосылки для наступления четвертой фазы процесса закоксовывания.
Для четвертой фазы характерно закоксовывание поршневого кольца. Наблюдается полная потеря подвижности кольца в канавке и происходит превращение асфальтенов в твердый кокс по всей поверхности контакта КМК. Когда зазор по высоте равен нулю - нарушается тепломаслообмен. Теплопередача через поршневое кольцо во втулку резко уменьшается, температура в зоне КМК возрастает. Увеличивается прорыв горячих газов ко второму кольцу, в зоне которого создаются условия для наступления второй-третьей фаз его закоксовывания.