Анализ масла в двигателях

Впервые анализ масла был применен на двигателях в качестве инструмента профилактического обслуживания и остается преобладающим методом обеспечения надежности. Поршневые двигатели внутреннего сгорания приводят в действие большую часть мирового мобильного оборудования, такого как автомобили, грузовики, автобусы, локомотивы, горнодобывающее оборудование, сельскохозяйственное оборудование, а также широко распространены в стационарных резервных генераторах энергии, буровых установках для разведки нефти и газа и компрессорных станциях трубопроводов.

Моторное масло подлежит замене до того, как оно достигнет момента, после которого уже не сможет полноценно выполнять свои функции в двигателе. С другой стороны, слишком ранние или слишком частые замены масла имеют огромное влияние на стоимость и воздействие на окружающую среду. Масло во вращающихся двигателях внутреннего сгорания постепенно загрязняется, скорость загрязнения может варьироваться в зависимости от коэффициента нагрузки, рабочего цикла, возраста, окружающей среды и типов топлива. Моторные масла обычно содержат комплексы присадок, состоящие из моющих средств и щелочных компонентов для нейтрализации кислот, образующихся в результате сгорания топлива. Присадки истощаются до такой степени, что сочетание масла и присадки больше не может защищать двигатель. Часто очень важно выяснить тип загрязняющего вещества в масле, то как он влияет на состояния двигателя, и найти более целенаправленный способ его устранения. Например, высокий уровень загрязнения гликолем указывает на утечку в системе охлаждения.

Анализ масла предоставляет информацию о степени загрязнения масла и связанном с ним ухудшением свойств, поэтому интервалы замены масла должны рассчитываться в зависимости от состояния масла, а не от времени. Но что вызывает загрязнение моторного масла?

Моторное масло подлежит замене до того, как оно достигнет момента, после которого уже не сможет полноценно выполнять свои функции в двигателе. С другой стороны, слишком ранние или слишком частые замены масла имеют огромное влияние на стоимость и воздействие на окружающую среду. Масло во вращающихся двигателях внутреннего сгорания постепенно загрязняется, скорость загрязнения может варьироваться в зависимости от коэффициента нагрузки, рабочего цикла, возраста, окружающей среды и типов топлива. Моторные масла обычно содержат комплексы присадок, состоящие из моющих средств и щелочных компонентов для нейтрализации кислот, образующихся в результате сгорания топлива. Присадки истощаются до такой степени, что сочетание масла и присадки больше не может защищать двигатель. Часто очень важно выяснить тип загрязняющего вещества в масле, то как он влияет на состояния двигателя, и найти более целенаправленный способ его устранения. Например, высокий уровень загрязнения гликолем указывает на утечку в системе охлаждения.

Самые распространенные загрязнители

Система работы двиателя

Анализ масла предоставляет информацию о степени загрязнения масла и связанном с ним ухудшением свойств, поэтому интервалы замены масла должны рассчитываться в зависимости от состояния масла, а не от времени. Но что вызывает загрязнение моторного масла?

При нормальной работе двигателя в смазочное масло попадает большое количество загрязняющих примесей. Вот наиболее распространенные из них:

Побочные продукты сгорания

Выхлопные газы (прорыв газов) проникают через поршневые кольца, направляющие клапанов и уплотнения турбонагнетателя в картер. Эти газы содержат частицы углерода, воды, кислот, частично сгоревшего топлива, нагара и лаков. Все эти частицы загрязняют масло. Оксиды серы (SOx) являются распространенными газами при использовании содержащих серу видов топлива (дизельное топливо, жидкие топливные дистилляты, тяжелое нефтяное топливо); оксиды азота (NOx) более распространены в двигателях, работающих на природном газе (сжатый ПГ, сжиженный ПГ, пропан). Продукты окисления углеводородов (HCOx) могут присутствовать в различных количествах.

Кислоты, нагар и шлам

Когда смазочное масло вступает в контакт с горячими компонентами двигателя или когда нагретое масло вступает в контакт с воздухом, происходит окисление и разложение с возникновением таких загрязнителей, как кислоты, нагар и шлам.

Топливо

Это загрязнение обычно связано с неисправностью двигателя. Однако разбавление масла топливом также может быть вызвано чрезмерными оборотами холостого хода двигателя или эксплуатацией с частыми остановками двигателя. Разбавление масла топливом приводит к потере вязкости, что является причиной сильного износа и возможного заклинивания, если это оставить без контроля. Неисправные форсунки, засоренные воздушные фильтры и отказ топливного насоса являются наиболее распространенными источниками разбавления топливом, хотя в некоторых случаях может происходить разрыв топливных магистралей с загрязнением масла.

Вода

Водяной пар поступает в масло как побочный продукт сгорания. Резервные генераторы и двигатели с низкой нагрузкой не позволяют маслу нагреваться в достаточной степени, чтобы вода могла быстро выкипать. Вода в сочетании с прорывом газов приводит к образованию кислот, которые разлагают масло и разъедают поверхности двигателя. Вода, поступающая из окружающей среды или при нарушении герметичности линий охлаждения, ведет к быстрому ухудшению свойств масла, а в худших случаях к серьезному износу и выходу двигателя из строя.

Охлаждающая жидкость

Для охлаждения двигателей широко используются охлаждающие жидкости на основе гликоля. Коррозия системы охлаждения, разрыв уплотнительной прокладки головки цилиндров или повреждение фитингов линии охлаждения — все это может привести к смешиванию охлаждающей жидкости с маслом. Гликоль особенно агрессивен к поверхностям подшипников из цветных металлов. Избыточное количество охлаждающей жидкости приводит к изменению цвета или образованию эмульсии масла, что может стать причиной заклинивания двигателя.

Сажа

Это загрязнение вызвано задержкой впрыска топлива и смешиванием горючего топлива с маслом в гильзах цилиндров. Чрезмерное осаждение сажи вызывает ненормальный износ клапанов и форсунок, может привести к перегрузке систем контроля выбросов, что приведет к получению штрафов за загрязнение воздуха.

Итак, какие испытания должны быть включены в план контроля моторного масла? Все испытания для двигателей должны включать проверку содержания распространенных загрязняющих примесей, а также анализ вязкости масла и металлических продуктов износа.

Инфракрасная спектроскопия

• 

  Типичный спектр инфракрасной спектроскопии с Фурье-преобразованием отработанного масла

Инфракрасная спектроскопия является отличным методом для обнаружения органических загрязнений, воды и продуктов разложения масла в пробе отработанного масла. Одно измерение дает обширную информацию о состоянии масла и степени его загрязнения.

Определение окисления и нитрования с помощью инфракрасного анализа

Если окисление достигает высокого уровня, смазочный материал перестает защищать от коррозии критически важные поверхности. Чем больше «число окисления», тем больше степень окисления. Такие условия, как лакообразование, отложение шлама, залипание колец, отложение лакообразного нагара и засорение фильтров, возникают из-за окисления.

Нитрование является еще одним важным параметром, который определяет степень присутствия NOx в масле. Эти соединения могут вступать в реакцию с водой в масле, с образованием азотистых кислот, которые ухудшают свойства масла и снижают эффективность присадок. Это может привести к лакообразованию, отложению лакообразного нагара и шлама в двигателе.

• Противоизносная присадка ZDDP: остаточное содержание присадки измеряется ИК-спектрометром. ZDDP является основной присадкой, снижающей трение; если она истощается, снижается уровень защиты двигателя от ненормального износа.
• Сажа: измеряется ИК-анализатором, в % по массе. Хотя в большинстве моторных масел присутствуют присадки, способствующие диспергированию сажи, увеличивающиеся количества сажи могут превысить их диспергирующие возможности, что приводит к износу и плохой работе двигателя.
• Содержание гликоля: Гликолевые охлаждающие жидкости разрушаются в условиях высокой температуры двигателя, что приводит к образованию гликолевых кислот. Эти кислоты воздействуют на поверхности подшипников из цветных металлов и образуют соли металлов. Кислоты также вступают в реакцию с противоизносными и противоокислительными присадками в масле и вместе с водой образуют отложения, которые закупоривают фильтры и приводят к тому, что масло теряет свои смазывающие свойства, увеличивая тем самым абразивный износ. Загрязнение гликолем двигателей и коробок передач считается более серьезным фактором, чем одна вода (в 10 раз более вредное). В зависимости от температуры масла гликолевая охлаждающая жидкость может разрушаться быстро или со временем. Эта нестабильность является основной проблемой для определения истинного содержания гликоля в масле в данный момент времени и является основной причиной, по которой эксплуатационные и лабораторные испытания часто не согласуются друг с другом.

Вязкость

Вязкость — это сопротивление жидкости течению. Кинематическая вязкость является наиболее важным физическим свойством смазочного материала для двигателей. Моторные масла обычно представляют собой всесезонные составы, разработанные для обеспечения нормальной работы двигателя в широком диапазоне рабочих температур запуска. Вязкость обычно указывается при 100 °C. Если вязкость смазочного масла превышает пределы, установленные SAE для минимумов и максимумов, его необходимо заменить. Ожидается, что вязкость масла будет повышаться со временем и в процессе эксплуатации по мере увеличения содержания сажи и твердых частиц. Потеря вязкости в двигателе считается более серьезной проблемой, чем ее повышение, и обычной причиной этого является загрязнение топливом.

Общее щелочное число

Общее щелочное число (TBN) является мерой щелочного запаса в масле. Оно часто измеряется титрованием, как в методе Карла Фишера, но может быть измерено и другими способами, такими как инфракрасная спектроскопия. Прорывные газы в сочетании с влагой от агрессивных кислот в картере истощают щелочное число. Моторные масла содержат присадки, предназначенные для вступления в реакцию с образующимися кислотами и их нейтрализации. Щелочное число используется в качестве ориентира для отслеживания истощения присадок в масле в процессе эксплуатации. Часто замена масла рекомендуется, когда значение TBN достигает заданного уровня для данного смазочного материала и области его применения. Резкое падение TBN свидетельствует о ненормальных условиях работы (например, чрезмерный прорыв газов), которые требуют исследования. Большинство поставщиков смазочных материалов приводят в бюллетенях предельные значения TBN, при которых следует считать масло непригодным. Обычно, когда значение TBN составляет 30% от исходного начального значения, требуется замена масла. Для двигателей, работающих на топливе с высоким содержанием серы, рекомендуется использовать масло с высоким начальным значением TBN, при этом аварийный предел составляет 50% от начального значения, а не 30%.

Вода

Вода является одним из наиболее распространенных загрязнителей. Вода может попасть в моторное масло в качестве побочного продукта сгорания или в результате утечки в системе охлаждения. Хотя температура моторного масла обычно достаточно высокая, чтобы вытеснить влагу во время работы, большие количества влаги приводят к интенсивному износу. Избыток воды, образующийся в двигателе из-за утечек или попадания внутрь, ведет к сильному износу, который может вызвать заклинивание двигателя. Загрязнение водой не должно превышать 0,25% для большинства двигателей.

Общее кислотное число

Общее кислотное число (TAN) — это измерение, предназначенное для индикации относительной кислотности в смазочном материале. Это измерение часто проводится титрованием. Кислотное число используется в качестве индикатора при отслеживании ухудшения свойств масла под действием окисления в процессе эксплуатации. Показатель TAN рекомендуется использовать для двигателей, работающих на природном газе. Резкий рост значения TAN свидетельствует о ненормальных условиях работы (например, перегрев), которые требуют обследования. Большинство поставщиков смазочных материалов приводят в бюллетенях предельные значения TAN, при которых следует считать масло непригодным. Обычно повышение на 2,0 по сравнению с начальным значением должно вызывать беспокойство.

Концентрация ферромагнитных частиц

Концентрация железных частиц — мера общего количества присутствующих железных магнитных частиц, измеряемая в миллионных долях (ppm или мг/кг). Измеряемые магнитометром частицы железа размером от субмикрона до видимых размеров вызывают изменение электрического тока, пропорциональное количеству присутствующего магнитного металла. Общее содержание частиц железа является ключевым показателем износа любого двигателя и должно быть включено во все проверки эффективности фильтрации. Осуществляется постоянный контроль фактического значения в м.д. Увеличение скорости износа на 10% указывает на ненормальное изменение, которое может потребовать вмешательства.

Разжижение топливом

Разжижение топливом — это мера содержания несгоревшего жидкого топлива в смазочном масле в результате утечек из форсунок, плохого уплотнения или плохих настроек топливной аппаратуры. Все двигатели допускают присутствие некоторого количества топлива в масле, допускается менее 2%. Более 5% это проблема. Разжижение топливом измеряется датчиком GC или SAW (анализатор топлива) и обычно указывается в % по массе.

Количество частиц

Количество частиц — это метод, используемый для подсчета и классификации частиц по размерам в жидкости в соответствии с ISO 4406, SAE 4059 и ГОСТ 17216. Очень полезный анализ для повышения надежности, так как уменьшение количества частиц в масле продлевает срок службы двигателя. Обычно этот анализ является дополнительным для эксплуатируемых двигателей, поскольку содержание сажи обычно не позволяет точно подсчитать количество частиц. Метод подсчета частиц обычно используется при разработке двигателей, поскольку такие технологии, как LaserNet, позволяют эффективно измерять количество частиц в маслах, содержащих до 1,5% сажи.

Количество частиц железа

Количество частиц железа — это метод, который количественно определяет наличие частиц железа в соответствии с их размером и количеством, а не концентрацией. Сегодня широко распространены встроенные магнитометры (онлайн или LNF), а также система феррографии DR (прямого считывания). Данный метод полезен для уточнения количества и размера присутствующих частиц железа и дополняет методы спектроскопии и концентрации железных частиц. Метод измеряет соотношение крупных и мелких частиц в пробе, и эти данные могут быть использованы для расчета концентрации продуктов износа и определения показателей серьезности, которые могут быть сопряжены с аварийной сигнализацией.

Элементная спектроскопия

Элементарная спектроскопия — это метод обнаружения и количественного определения элементов в отработанном масле, образующихся в результате износа, загрязнения и работы присадок. Пробу масла насыщают энергией, чтобы каждый химический элемент излучал или поглощал измеряемое количество энергии, определяющее концентрацию каждого элемента в масле. Результаты отражают концентрацию всех растворенных металлов либо из комплексов присадок, либо в форме частиц износа. Этот тест является основой для всех средств анализа масла, поскольку он относительно быстро и точно предоставляет информацию о машине, уровне загрязнения и степени износа. Его основным ограничением является низкая эффективность обнаружения частиц размером 5 микрон (мкм) или более, поэтому сначала необходимо измерить концентрацию частиц железа.

WDA (анализ продуктов износа)

WDA это - аналитический метод, согласно которому магнитные частицы — продукты износа — отделяются от масла и осаждаются на предметном стекле, которое называется феррограммой. Микроскопическое исследование частиц позволяют охарактеризовать тип износа и возможные источники износа в машине. Этот метод известен как аналитическая феррография. Это превосходный индикатор ненормального износа деталей из черных и цветных металлов, однако, как правило, к его проведению допускаются только квалифицированные специалисты по анализу.

Сводка рекомендуемых параметров испытаний приведена в таблице ниже:

• Рекомендуемые показатели для анализа масла в двигателях

• R = рекомендуется
• O = необязательно

Читайте также:

• Анализ моторного масла судовых двигателей при техническом обслуживании судна