Physico-chemical characteristics of particulate contamination in the coolant for automobile and tractor engines

Full Text

Введение С момента появления систем жидкостного охлаждения автомобильных и тракторных поршневых двигателей в начале XX века, их работу постоянно сопровождала серьезная проблема - загрязнение охлаждающей жидкости (ОЖ) и всей системы в целом. К сожалению, эта проблема до последнего времени оставалась нерешенной в современной науке и практике автоиндустрии, т.к. применяемые технологии и устройства очистки ОЖ в процессе эксплуатации двигателей не соответствовали современным требованиям. При этом до настоящего времени очистке ОЖ и поддержанию чистоты системы жидкостного охлаждения в целом, уделяется незаслуженно мало внимания, как за рубежом, так и в России. Между тем, непрерывно возрастающая структурная и конструктивная сложность современных систем жидкостного охлаждения (СЖО) [1, 2] при одновременном повышении требований к их надежности и теплоотводящей функции в процессе непрерывного форсирования автомобильных и тракторных двигателей, обуславливают повышенные требования к чистоте ОЖ и всей системы охлаждения. Анализ данных эксплуатации автотранспортной техники показывает, что от 25 до 40 % неисправностей и отказов двигателей приходится на СЖО [3, 4]. В основном 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 критическим неисправностям СЖО относятся различные течи, разрушение прокладок и сальников, ошибки в срабатывании термостатов и датчиков, а также закупоривание проточных каналов радиаторов, блоков и головок цилиндров. В процессе эксплуатации двигателей в системе охлаждения и ее элементах наблюдаются явления кавитационной эрозии и химической коррозии, появляются отложения на теплопередающих поверхностях (накипь), образуются продукты разложения и выработки антифризов. Все это в комплексе 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. Вышеуказанные проблемы СЖО при эксплуатации автомобильных и тракторных двигателей в значительной степени обусловлены наличием в ОЖ загрязнений различной природы. Исследования [3, 5, 6] 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. 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 (поступают в СЖО извне в процессе эксплуатации); 3) внутренние эксплуатационные (образуются в СЖО в процессе работы). Наши экспериментальные исследования показали, что первый источник, как правило, вносит относительно 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) может внести значительную долю загрязнений, величина которой зависит от культуры эксплуатации автомобильной техники. Однако при должной технической культуре внешние загрязнения, попадающие в СЖО при эксплуатации, также можно свести к минимуму. Третий источник загрязнения системы - образование (генерация) различных загрязнений внутри самой СЖО в процессе эксплуатации двигателя. Обобщенная причина появления загрязнений в СЖО в процессе эксплуатации двигателя - физико-химическое взаимодействие ОЖ с различными разнородными элементами и материалами системы охлаждения [5]. Результатом этого физико-химического взаимодействия является кавитационная эрозия металлов, их химическая коррозия, образование накипи и различных отложений, разложение присадок, разрушение элементов системы и т.п. Это те загрязнения, с которыми достаточно тяжело бороться и которые постоянно генерируются в системе в том или ином количестве. Применение абсолютно чистой охлаждающей жидкости в СЖО автомобильных и тракторных двигателей практически нереально, потому, что всегда будут существовать производственно-технологические и эксплуатационные условия, способствующие образованию загрязнений. На сегодняшний день найдено эффективное, простое и надежное решение проблемы очистки ОЖ [8, 9], однако открытым остается вопрос о природе и характере загрязнений, образующихся в СЖО автомобильных и тракторных 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. Цель исследования Целью исследования является физико-химический анализ твердых частиц загрязнений, присутствующих в охлаждающей жидкости автомобильных и тракторных двигателей, на основе которого возможно определение направления разработки эффективной технологии предотвращения загрязнений или очистки ОЖ в процессе эксплуатации двигателей. Материалы и методы Объектом исследования являются твердые частицы загрязнений, задержанные гидроциклонным фильтром-сепаратором [6, 8] в системах охлаждения поршневых двигателей при эксплуатации автотранспортных средств и сельскохозяйственной техники. Отбор загрязнений охлаждающей жидкости проводился из гидроциклонных фильтров-сепараторов, установленных в системах охлаждения двигателей городских и междугородних автобусов MAN, Mercedes и Setra, находящихся в эксплуатации в крупнейшем автотранспортном предприятии г. Владимира - ООО «БигАвтоТранс», двигателей сельскохозяйственной техники (комбайны) Агропредприятия СПК «Суздальские Зори» (Владимирская область, с. Павловское), а также двигателей автомобилей КАМАЗ коммунальных служб г. Владимира. Конструкция гидроциклонного фильтра-сепаратора обеспечивает улавливание загрязнений в специальном грязесборнике, в котором они собираются на резиновой прокладке крышки [6]. Именно эти загрязнения из грязесборника, уловленные фильтром-сепаратором, и подвергались анализу. Поскольку первичные загрязнения, удаленные из фильтра-сепаратора, представляют собой мазеобразную вязкую массу (рис. 1а), была разработана специальная технология выделения твердых частиц загрязнений в сухом виде. а) б) Рис. 1. Внешний вид загрязнений, удаленных из гидроциклонного фильтра-сепаратора в виде мазеобразных отложений на прокладке фильтра (а), и подготовленных для физико-химического анализа сухих загрязнений (б) Fig. 1. The contaminants removed from the hydrocyclone filter-separator in the form of greasy deposits on the filter gasket (a), and prepared for physicochemical analysis of dry contaminants (b) Указанная мазеобразная масса помещалась в емкость объемом около 2 л и заливалась чистой водой. После перемешивания загрязнений в воде, емкость оставлялась примерно на сутки для отстаивания загрязнений. Через сутки на дне емкости полностью осаждались все частицы загрязнений. Чистая вода над загрязнениями удалялась с помощью пластикового шприца большого объема. Оставшийся осадок (частицы песка, герметиков, металлов и др.) выпаривался в тигле в лабораторной электрической печи до полного удаления влаги, для получения сухих фракций твердых частиц загрязнений (рис. 1б). При визуальном исследовании мелких частиц железа Fe, они сначала отбирались из общей массы загрязнений с помощью магнита, а затем размагничивались с помощью специального устройства для предотвращения «слипания» мелких железных частиц. Далее велось комплексное исследование сухих твердых частиц загрязнений: · определялся фракционный состав загрязнений с помощью комплекта лабораторных сит; · визуально изучались твердые частицы загрязнений с применением USB-микроскопа; · проводился химический анализ состава твердых частиц загрязнений с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра последовательного анализа. Рис. 2. Комплект лабораторных калиброванных сит Fig. 2. Set of laboratory calibrated sieves Для определения фракционного состава твердых частиц загрязнений использовался комплект лабораторных калиброванных сит (7 штук) производства ООО «Вибротехник» (г. Санкт-Петербург) (рис. 2). 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 калиброванных сит составлял от 50 до 1500 мкм. Подобная методика определения фракционного состава пылей, измельченных материалов и т.п., является общепринятой [10]. При исследовании твердые частицы загрязнений разделялись на фракции путем их просеивания через колонну из данных калиброванных сит. Твердые частицы в зависимости от своего размера проходили определенные сита и задерживались на тех ситах, размер ячеек которых был меньше размера частиц. В зависимости от этого частицы условно подразделялись на группы в диапазонах: менее 50 мкм, 50-100, 100-250, 250-450, 450-700, 700-1000, 1000-1500 мкм, более 1500 мкм. После сортировки твердых частиц загрязнений с помощью комплекта лабораторных калиброванных сит, каждая фракция взвешивалась на электронных весах производства ЗАО «Вессервис», (г. Санкт-Петербург). Весы обеспечивали взвешивание порций частиц до 300 грамм с погрешностью ± 0,01 грамм. Каждая фракция твердых частиц загрязнений при этом помещалась в различные пластиковые емкости для изучения с помощью USB-микроскопа «Микрон-500». Микроскоп «Микрон-500» (рис. 3) обладает максимальным 500-кратным увеличением, что вполне достаточно для решаемых задач. Проведенная работа по отладке программного обеспечения микроскопа позволила производить оптические измерения размеров объектов наблюдения. Рис. 3. USB-микроскоп «Микрон-500» Fig. 3. Micron-500 USB microscope Каждая из выделенных фракций эксплуатационных загрязнений подвергалась химическому анализу с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра последовательного анализа ARL ADVANT'X (производитель 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. Рентгенофлуоресцентный спектрометр последовательного анализа ARL ADVANT'X с технологией IntelliPower™ (рис. 4) позволяет решать различные аналитические задачи. Прибор позволяет определять до 84 элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева в различных пробах: твердых или жидких, проводящих или непроводящих. У этого прибора довольно широкий диапазон решаемых задач: · мониторинг следов элементов в маслах и полимерах; · анализ основных элементов и примесей в цементе, горных породах и т.п.; · полный анализ стекла, металлов, руды, огнеупоров, геологических материалов и др. Рис. 4. Рентгенофлуоресцентный спектрометр последовательного анализа ARL ADVANT'X Fig. 4. ARL ADVANT'X X-ray fluorescence spectrometer for sequential analysis Весь описанный научный инструментарий использовался при исследовании физико-химических характеристик твердых частиц загрязнений охлаждающей жидкости двигателей автомобильной и тракторной техники, полученных в условиях реальной эксплуатации. Результаты и их обсуждение Фракционный анализ типичной порции твердых частиц загрязнений, полученной из конкретного фильтра-сепаратора ОЖ двигателя автобуса, показал, что более 85 % всех загрязнений имеет размер от 50 до 1000 мкм (рис. 5). Рис. 5. Распределение твердых частиц загрязнений охлаждающей жидкости по фракциям в типичной порции загрязнений, полученной из фильтра-сепаратора (размер фракций дан в пределах от 0 до 50 мкм, от 50 до 100 мкм и т.д.) Fig. 5. Distribution of solid particles of coolant contaminants by fractions in a typical portion of contaminants obtained from the filter-separator (the size of the fractions is given in the range from 0 to 50 microns, from 50 to 100 microns, etc.) Следует отметить, что при этом твердые частицы с размером 250-450 мкм имеют наибольшую долю (более 45 % по массе) среди всех частиц загрязнений различных размеров. Фракция 450-700 мкм составляет около 17 % (масс.) среди общей массы загрязнений. Относительное количество загрязнений остальных фракций не превышает 10 %. Очевидно, что наиболее опасными составляющими загрязнений являются частицы железа Fe и кремния Si, т.к. они обладают абразивными свойствами и могут способствовать удалению тонкой окисной пленки на внутренней поверхности стенок каналов радиаторов охлаждения, приводя их к коррозии и преждевременному разрушению. Распределение частиц Fe и Si по фракциям в типичной порции загрязнений, полученной из фильтра-сепаратора ОЖ двигателя автобуса, дано на рис. 6, а внешний вид частиц Fe при увеличении 150х - на рис. 7. Данные графика на рис. 6 показывают, что наибольшую долю кремния Si содержат фракции загрязнений с размерами до 250 мкм - в этих фракциях содержание Si составляет 30-35% (по массе). Далее, по мере укрупнения фракций, относительное количество частиц Si снижается примерно до 15-22% в каждой фракции. Рис. 6. Типичное распределение частиц железа Fe и кремния Si по фракциям в составе твердых частиц загрязнений Fig. 6. Typical distribution of iron particles Fe and silicon Si by fractions in the composition of solid particles of impurities Рис. 7. Внешний вид мелких частиц железа Fe при увеличении 150х Fig. 7. Fe small iron particles at a magnification of 150x По частицам железа Fe наблюдается несколько иная картина. Наибольшее относительное содержание частиц Fe наблюдается (рис. 6) во фракции с размерами от 250-450 мм - около 40% (по массе). Во фракциях 100-250 мкм и 450-700 мкм - примерно около 35% в каждой. В остальных фракциях содержание частиц Fe находится в пределах 18-23%. Визуальный анализ твердых частиц загрязнений с помощью микроскопа «Микрон-500» позволил установить их разнообразную форму и примерные размеры. Типичные фото частиц загрязнений приведены на рис. 8. Группа: ≥ 1500 мкм Zoom: 3x Увеличение: 130x Масса фракции: 0,73г Группа: 1000-1500 мкм Zoom: 3x Увеличение: 130x Масса фракции: 1,85г Группа: 700-1000 мкм Zoom: 3x Увеличение: 130х Масса фракции: 3,44г Группа: 450-700 мкм Zoom: 3x Увеличение: 130х Масса фракции: 8,02г Группа: 250-450 мкм Zoom: 3x Увеличение: 130х Масса фракции: 21,57г Группа: 100-250 мкм Zoom: 3x Увеличение: 130х Масса фракции: 4,5г Группа: 50-100 мкм Zoom: 3x Увеличение: 130х Масса фракции: 3,1г Группа: <50 мкм Zoom: 3x Увеличение: 130х Масса фракции: 3,4г Рис. 8. Микрофотографии различных фракций (по группам) твердых частиц загрязнений охлаждающей жидкости, полученных в процессе эксплуатации автобусов Fig. 8. Micrographs of various fractions (by groups) of solid particles of coolant contaminants obtained during the operation of buses Как показывает анализ приведенных микрофотографий, твердые частицы загрязнений охлаждающей жидкости автомобильных двигателей имеют самую разнообразную форму - от округлой до угловатой. В частности, встречается чешуйчатая форма частиц, овальная (округлая) и с острыми гранями. Кроме этого, наблюдаются продолговатые нитеобразные частицы загрязнений в мелких фракциях. Материалом всех этих частиц является кремний, железо, алюминий, свинец и др. При этом следует отметить, что округлые частицы (их величина, как правило, меньше 450 мкм) менее опасны для элементов системы охлаждения. Твердые частицы с острыми углами между гранями, напротив, более опасны, т.к. могут вызывать повышенный износ в процессах трения или удалять окисную пленку с алюминиевых деталей, приводя к усилению их коррозии и разрушению [11]. В этом отношении, как уже указывалось, наибольшую опасность представляют частицы железа Fe (рис. 6 и 7) и частицы кремния Si, которые обладают значительной твердостью и угловатостью одновременно. Сравнительный анализ химического состава твердых частиц загрязнений показал, что у различных объектов исследований (двигателей грузовых автомобилей, автобусов, комбайнов) нет большого различия в химическом составе твердых частиц загрязнений охлаждающей жидкости (за редким исключением), что свидетельствует о некоторых внутренних закономерностях образования загрязнений в близких условиях у сходных объектов. Обобщенные данные по относительному химическому составу твердых частиц загрязнений, содержащихся в охлаждающей жидкости различных двигателей (грузовых автомобилей, автобусов, комбайнов), приведены в таблице. Нельзя не заметить значительного количества частиц железа Fe среди загрязнений - от 13,7 до 47,1 %. Особенно много частиц Fe в группах 450-700 мкм, 250-450 мкм, 100-250 мкм, 50-100 мкм. То есть это довольно крупные частицы с размерами 50-700 мкм. Природа их появления в антифризе - кавитационные и коррозионные разрушения гильз цилиндров двигателей и других деталей из черных металлов [5]. Кроме этого обращает на себя внимание значительное количество кремния Si (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 внесением песка в охлаждающую жидкость вследствие невысокой культуры эксплуатации техники. Таблица Обобщенные данные по относительному химическому составу твердых частиц загрязнений, содержащихся в антифризе Table. Generalized data on the relative chemical composition of solid particles of contaminants contained in antifreeze Размер частиц по фракциям, мкм Доля отдельных химических элементов, % (масс.) Fe Pb Si Sn Zn Al Ca Cu Mg ³ 1500 15,9-20,0 14,0-18,0 14,4-19,9 6,0-14,1 8,6-18,0 7,4-9,6 2,4-5,9 5,5-10,8 1,8-2,5 1000…1500 20,2-21,5 16,1-27,8 10,5-19,3 9,8-11,1 7,4-12,2 3,3-7,8 2,1-6,7 5,3-8,1 0,96-3,1 700…1000 21,2-25,4 12,7-15,7 18,1-19,4 2,5-8,7 7,2-10,6 7,7-12,8 5,5-6,2 5,1-9,1 2,4-2,9 450…700 29,8-38,3 9,6-12,1 17,6-20,1 1,6-2,2 5,2-12,1 7,4-8,7 5,3-5,7 4,5-8,8 2,4-3,0 250…450 33,8-47,1 7,7-12,1 19,1-24,0 0,9-1,3 3,4-11,9 5,7-6,9 3,4-4,2 3,3-7,3 2,0-2,5 100…250 25,7-44,2 7,9-9,5 29,8-31,1 0,6-0,8 2,5-5,9 5,1-7,7 3,1-9,2 2,8-4,5 1,4-2,7 50…100 16,0-33,2 5,5-7,1 31,7-36,7 0,3-0,4 2,9-3,4 7,0-8,8 8,1-17,1 2,8-3,5 2,8-4,1 £ 50 13,7-21,8 5,0-5,8 35,2-36,4 0,2-0,3 2,9-3,2 8,4-9,3 13,2-19,3 3,2-3,7 4,0-4,3 Наличие частиц алюминия Al является следствием кавитационной эрозии и химической коррозии деталей двигателя из алюминиевых сплавов [5]. Появление в загрязнениях частиц свинца Pb и олова Sn объясняется содержанием этих элементов в припое, которым пропаиваются радиаторы двигателя и отопителя салона. Таким же путем может попадать и цинк Zn в состав загрязнений. Частицы кальция Ca и магния Mg входят в состав накипи, отлагающейся на стенках системы охлаждения двигателя при использовании некачественного антифриза. Также Ca и Mg могут использоваться в моющее-диспергирующих присадках в антифризах. Присутствие частиц меди Cu может объясняться ее содержанием как в припое, используемом при сборке радиаторов, так и в других элементах двигателя. Кроме указанных в таблице химических элементов, в твердых загрязнениях присутствуют на уровне менее 1,0 % (по массе) такие химические элементы, как калий К, натрий Na, титан Ti, фосфор P, сера S, хром Cr, молибден Mo, хлор Cl, иридий Ir, никель Ni, марганец Mn и др. Незначительное содержание этих элементов можно считать фоновым. Это объясняется присутствием этих химических элементов в присадках к антифризам, в сталях и сплавах, из которых изготовлены отдельные элементы двигателя и его системы охлаждения. Обобщенно анализируя состав загрязнений, можно отметить, что наиболее опасными и присутствующими в значительных количествах являются частицы железа Fe и кремния Si. 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. Заключение 1. Обобщенной причиной появления загрязнений различной природы в СЖО является физико-химическое взаимодействие ОЖ (антифриза) с разными элементами и разнородными материалами системы охлаждения. Использование абсолютно чистой охлаждающей жидкости в СЖО автомобильных и тракторных двигателей практически нереально, так как всегда будут существовать эксплуатационные условия, способствующие образованию загрязнений. 2. В составе твердых частиц загрязнений охлаждающей жидкости обнаружен целый ряд химических элементов (в количестве от 1 до 47% (масс.) каждого элемента): железо Fe, кремний Si, алюминий Al, свинец Pb, олово Sn, цинк Zn, кальций Ca, магний Mg, медь Cu. Кроме этого в твердых загрязнениях присутствуют на уровне менее 1,0% (масс.) такие химические элементы, как калий К, натрий Na, титан Ti, фосфор P, сера S, хром Cr, молибден Mo, хлор Cl, иридий Ir, никель Ni, марганец Mn и др. 3. Наиболее опасными составляющими загрязнений являются частицы железа Fe и кремния Si (содержащиеся в ОЖ в количестве до 47 и 37% (масс.) соответственно) и обладающие значительной твердостью и угловатостью. Абразивные свойства частиц Fe и Si создают опасность удаления тонкой окисной пленки на внутренней поверхности стенок каналов радиаторов охлаждения, приводя их к коррозии и преждевременному разрушению. В связи с этим в составе автомобилей и тракторов должны быть использованы высокоэффективные фильтры охлаждающей жидкости двигателей, удаляющие эти загрязнения из потока.

About the authors

S. G Dragomirov

Vladimir State University

Email: ds33@bk.ru
DSc in Engineering Vladimir, Russia

P. Ig Eydel

LLC "STC "AutoSphere" at Vladimir State University"

Vladimir, Russia

A. Yu Gamayunov

LLC "STC "AutoSphere" at Vladimir State University"

Vladimir, Russia

M. S Dragomirov

LLC "STC "AutoSphere" at Vladimir State University"

PhD in Engineering Vladimir, Russia

References

Supplementary files