Поломка автомобиля из-за попадания воды и антифриза в масло
В свежих моторных и трансмиссионных маслах допускается наличие не более 0,03% воды, и то не во всех. Появление воды в работающем моторном масле обусловлено конденсацией ее паров из воздуха и из газов, прорывающихся в картер при температуре ниже точки росы (при сгорании 1 кг топлива образуется 1,4 кг воды). Такое обводнение масла предотвратить практически невозможно. Его можно уменьшить, поддерживая оптимальную температуру масла и охлаждающей жидкости и обеспечивая достаточную принудительную вентиляцию картера. Обычно содержание воды в исправном двигателе составляет не более 0,05%, а в отдельных случаях – 0,2% [1; 2]. Причинами более высокого содержания воды в масле могут быть неисправности двигателя: неплотности водомасляных теплообменников, трубопроводов. Как правило, наличие воды в работающем масле от 0,3% и более определяют по появлению мути в отобранной пробе. Попадание воды в камеру сгорания через воздухозаборник или из-за прорыва прокладки головки блока цилиндров с охлаждающей жидкостью приводит к гидроудару. Поршень на этапе сжатия ударяется в находящуюся в цилиндре воду, что приводит к выходу двигателя из строя (рис. 1).
Особую опасность вода и охлаждающая жидкость в масле представляют зимой. Вода накапливается в картере непрогретого двигателя и после остановки на стоянке выпадает в виде крупинок или куска льда на дне и блокирует доступ масла в систему смазки. При очередном запуске двигателя масляное голодание узлов трения приводит к аварии.
Проведенные на работающем ДВС эксперименты показали, что вода, попадающая в масло работающего двигателя, интенсивно испаряется (рис. 2, 3).
На рис. 2 видно, как насыщается моторное масло водой при подаче воды через равные промежутки времени. На рис. 3 в двигатель постоянно подавалась вода с нарастающим количеством, при достижении 23% воды по отношению к маслу через 4 часа 40 минут скорость подачи воды стабилизировали, при этом увеличение насыщаемости моторного масла водой прекратилось и снизилось с 3 до 2%. Поэтому даже наличие «следов» воды в работающем масле свидетельствует о значительном попадании воды в систему смазки. Экспериментально показано [3], что оно обычно стабилизируется на указанных уровнях в результате действия двух противоположных процессов: конденсации паров воды в картере и испарения воды из пленки масла на горячих деталях.
На рис. 4 показано, как меняется вязкость масла в присутствии воды и бензина.
В присутствии воды, особенно в количестве, превышающем предельно допустимое, ухудшаются основные эксплуатационные свойства масла: подвергаются гидролизу присадки, нарушается коллоидная стабильность загрязнений, резко падает диспергирующе-стабилизирующая способность масла, растет скорость поступления нерастворимых продуктов (рис. 5), выпадают осадки в картере, на приемных сетках масляных насосов, в водомасляных теплообменниках, вследствие их коагуляции блокируются масляные фильтры, ухудшаются противоизносные и противокоррозионные свойства [4]. Важно уметь правильно оценивать результаты анализа масла на содержание воды. Масло из картера непрогретого двигателя, как правило, имеет повышенное содержание воды, поэтому пробу для анализа необходимо отбирать из прогретого ДВС.
При содержании в попавшей в масло охлаждающей жидкости присадок негативные последствия существенно усугубляются. В наибольшей степени на работоспособности масла и ресурсе двигателя сказывается попадание в масло этиленгликоля.
В реальных условиях это возможно при повреждении прокладки головки блока цилиндров.
На рис. 6 показано, как увеличивается износ шатунных вкладышей ДВС в зависимости от вида и количества воды и охлаждающей жидкости в масле.
Одно из многочисленных исследований, проведенных в США, показало, что антифриз на основе этиленгликоля был в масле 8,6% из 100 тыс. протестированных дизельных двигателей. В результате другого независимого исследования 11 тыс. грузовых автомобилей для междугородных перевозок большое количество антифриза было обнаружено в масле 1,5% двигателей и незначительное количество – в 16% двигателей.
Концентрация антифриза в моторном масле в количестве всего 0,4% является вполне достаточным условием для образования сгустков сажи и может вызвать появление отложений (антифриз, насыщаясь водой, теряет свои низкотемпературные свойства и способствует образованию льда в масляном картере зимой), которые снижают скорость потока масла в системе и засоряют фильтры. Этиленгликоль, попавший в масло, окисляется и образует агрессивные кислоты, в частности гликолевую, щавелевую, муравьиную и угольную. Данные кислоты вызывают быстрое снижение щелочности смазочного материала и приводят к дополнительному снижению защиты от коррозии [5; 6; 7].
При исследовании поверхности вкладышей сканирующим электронным микроскопом обнаружены белые сферы, неравномерно вкрапленные в поверхность Их размеры – в среднем от 15 до 40 микрон. Но только часть этих шариков поглотилась покровным слоем, а те, что остались свободными, привели к задиру.
Химики, исследовавшие состав вкраплений, и «масляных шариков», обнаружили кальций, фосфор, серу и другие вещества, содержащиеся в присадках моторных масел, которые вызывают аварийный износ деталей.
То же происходит и в двигателе. Моторное масло в работающем двигателе энергично перемешивается вращающимся коленчатым валом и шатунами. Если в моторное масло попадают антифриз или вода, они разбиваются подвижными деталями на микроскопические капельки и, тщательно перемешавшись с маслом, образуют эмульсию. Так как в воде часть присадок гидролизуется, то раствор получается чрезвычайно концентрированным. При высокой температуре химические реакции между веществами присадок протекают очень быстро, и в конечном счете образуются весьма твердые частицы фосфорных соединений кальция и цинка на трущихся поверхностях.
При соприкосновении масляного шарика с горячей поверхностью детали вода с этиленгликолем испаряются, остаются твердые компоненты присадок, которые, с потоком масла попадая в зазоры узлов трения, вызывают их износ. Рассмотрим примеры из практики. На рис. 7 мы видим эмульсию на маслозаливной пробке автомобиля.
Проверяя наличие антифриза анализатором нефтепродуктов ООО «Химмотолог», обнаружили 0,2% антифриза и воды в моторном масле автомобиля с пробегом 9240 км. На рис. 8 представлена хроматограмма капли масла (капельная проба), на которой мы видим четыре контура. Третий и четвертый контуры представляют собой ломаную, зигзагообразную линию с желтоватым оттенком, что свидетельствует о наличии в масле воды и этиленгликоля.
Результаты спектрального анализа данного моторного масла приведены в табл. 1.
Из табл. 1 видим присутствие натрия, элемента присадки антифриза, в количестве 11 ррm. В автосервисе определили причину попадания антифриза – через прокладку головки блока цилиндров, поставили новую прокладку. Масло моторное заменили на свежее и через 290 км отобрали пробу и проанализировали по той же методике. На рис. 9 представлена хроматограмма капли масла (капельная проба). Третий и четвертый контуры в виде ломаной, зигзагообразной линии с желтоватым оттенком, говорят о наличии в масле воды и этиленгликоля.
Результаты спектрального анализа моторного масла после его замены приведены в табл. 2.
Сравним, что происходит с элементами присадок в моторном масле при наличии антифриза. В свежем моторном масле SAE10W40 содержится: магния 25 ррm; кальция 2279 ррm; фосфора 364 ррm; цинка 1070 ррm. Из табл. 1 и 2 видно, как антифриз уничтожает присадки. Антифриз в количестве всего 0,3% после пробега 290 км ухудшил моюще-диспергирующие свойства моторного масла на 12,64% (расчет сделан по снижению содержания кальция в моторном масле с 2279 до 1991 ррm). Таким образом, замена прокладки специалистами сервиса оказалась некачественной, пришлось обратиться в другой автосервис и снова поменять прокладку и моторное масло.
В табл. 3 показаны результаты анализа трансмиссионного масла SAE75W90, содержащего 1,7% воды (или 17000 ррm) из раздаточной коробки автомобиля УАЗ (фото 1), преодолевшего водную преграду, с пробегом всего 1780 км.
Трансмиссионное масло после пробега автомобиля всего 1780 км и 4 минут пребывания в воде потеряло свою работоспособность. Обнаружили вовремя, поменяли моторное масло и трансмиссионное масло во всех узлах трения, устранили причины попадания воды в масло. Чтобы не ходить по сервисам, установили три датчика износа и температуры (которые производит ООО «Химмотолог», рис. 10) в переднем мосту, раздаточной коробке и картере двигателя, в режиме реального времени на телефон передается информация о количестве продуктов износа и температуре масла. Сейчас этот автомобиль успешно продолжает выступать на соревнованиях и занимает призовые места.
Выводы: проведенные исследования показывают негативное воздействие воды и охлаждающей жидкости на работоспособность моторного масла и трансмиссионного масла.
Используя анализатор нефтепродуктов или датчики износа ООО «Химмотолог» можно на ранней стадии выявить неисправности в вигателе, трансмиссии автомобиля и устранить их без больших затрат.
Литература
1. Бедрик Б. Г. Смазочное масло как элемент конструкции неразрушающего контроля и диагностики техники при эксплуатации по состоянию // Контроль. Диагностика. 2005. № 5.
2. Берёзкин В. В., Варварица В. П. Контроль содержания металлов в маслах для диагностики // Инновация. 2004. № 7. С. 69–71.
3. Кузменко М. Л., Элькес А. А. Диагностика масел и двигателей Д‑30 КП 3-й серии ОАО «НПО Сатурн» по состоянию при их эксплуатации // Контроль. Диагностика. 2003. № 12. С. 16–18.
4. Кузнецов А.В. Топливо и смазочные материалы. М.: КолосС, 2005. 199 с.: ил. (Учебники и учебные пособия для студентов высш. учеб. заведений).
5. Диагностика технического состояния смазываемых узлов трения по параметрам продуктов износа в масле // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2006. № 8. С. 18–21.
6. Литвинов А. А. Основы применения горюче-смазочных материалов в гражданской авиации. М.: Транспорт, 1987. 308 с.
7. Особенности диагностирования усталостного выкрашивания поверхностей трения подшипников качения и зубчатых передач газотурбинных двигателей // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2006. № 9.
Ильшат Нигматуллин, канд. техн. наук, доцент УГНТУ, к.м.с. по автоспорту
