The study of fuel accumulation in the oil of a gasoline engine with direct fuel injection

Vladimir M. Krasnov; Краснов Владимир Михайлович; Alexey S. Terenchenko; Теренченко Алексей Станиславович; Dmitriy S. Timofeev; Тимофеев Дмитрий Сергеевич; Ivan S. Shibaev; Шибаев Иван Сергеевич; Nikita D. Stepin; Степин Никита Дмитриевич

doi:10.17816/2074-0530-108497

Исследование накопления топлива в масле бензинового двигателя с непосредственным впрыском топлива

Авторы: Краснов В.М.¹, Теренченко А.С.¹, Тимофеев Д.С.¹, Шибаев И.С.¹, Степин Н.Д.¹
Учреждения:
1. Государственный научный центр Российской Федерации «НАМИ»
Выпуск: Том 16, № 4 (2022)
Страницы: 283-289
Раздел: Тепловые двигатели
URL: https://journals.eco-vector.com/2074-0530/article/view/108497
DOI: https://doi.org/10.17816/2074-0530-108497
ID: 108497

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Введение. Тенденция мирового двигателестроения направлена на уменьшение массогабаритных характеристик мотора с одновременным увеличением его удельной мощности, энерговооруженности. Это достигается благодаря повышению степени сжатия, совершенствованию рабочего процесса, внедрению системы наддува, непосредственного впрыска топлива. С внедрением систем непосредственного впрыска стала актуальной проблема накопления топлива в масле.

Цель. Статья рассматривает общие вопросы, посвященные накоплению топлива в масле двигателя.

Методы исследований. Анализ опубликованных данных по данному вопросу.

Результаты. Сформулированы причины попадания топлива в масло, возможные допустимые концентрационные пределы топлива в масле, а также приведены данные наблюдения специалистами за парком автомобилей в течение нескольких лет.

Заключение. Имеет место довольно существенный разброс мнений и рекомендаций о допустимой концентрации топлива в масле. Отсюда можно сделать вывод, что само по себе значение концентрации топлива в масле не имеет особого значения, и для определения максимально допустимого уровня содержания топлива в масле целесообразно будет провести исследования по определению допустимых пределов отдельных показателей моторного масла, в первую очередь, вязкости.

Ключевые слова

топливо в масле, непосредственный впрыск топлива, температура вспышки, двигатель внутреннего сгорания, вязкость, моторное масло

Полный текст

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Долгое время, проблема накопления топлива в моторном масле, в основном, была присуща дизелям из-за их особенностей смесеобразования. Для бензиновых двигателей в «карбюраторную» эпоху при распределённом впрыске (MPI) это явление также имело место, но проявляло себя в меньшей степени. Более того, в инструкциях по эксплуатации авиационных двигателей середины 20-го века содержались рекомендации по применению метода разбавления масла бензином для разжижения масла и облегчения «холодного» пуска двигателя [1]. Наличие топлива в масле не считалось серьёзным фактором, влияющим на работоспособность и ресурс двигателя. Однако, в настоящее время, в связи с массовым внедрением систем непосредственного впрыскивания бензина («Direct Injection») на легковых автомобилях с высокофорсированными наддувными двигателями, проблема разжижения масла топливом приобрела новые акценты и серьёзное значение. Стало очевидно, что топливо, попавшее в моторное масло, оказывает негативное влияние как на эксплуатационные свойства масла, так и на условия работы деталей, а также протекание рабочего процесса самого двигателя.

Перечислим основные негативные стороны этого явления:

Попадание топлива в масло приводит к снижению его вязкости и, как следствие, к нарушению режима смазки, потере несущей способности масляного клина. Топливо, смывая масляную плёнку с зеркала цилиндров, препятствует формированию смазочного слоя и таким образом увеличивает износ в парах трения: гильза-поршень, вкладыши подшипников-шейки коленвала (КВ), детали газораспределительного механизма (ГРМ). При концентрации топлива в синтетическом масле 3%, 6% и 20% по массе (далее по тексту везде подразумевается массовая доля топлива в моторном масле) вязкость масла снижается на 19%, 35% и 73% и, как следствие, износ чугунных гильз увеличивается на 7%, 59% и 212% соответственно [2]. По данным [3] при содержании в масле 4% и 8% топлива износ деталей цилиндропоршневой группы возрастает соответственно на 25 и 50%. На рис. 1 приведены экспериментальные данные, полученные в ходе моторно-стендовых и дорожных испытаний. Содержание топлива в масле было определено с помощью лабораторного оборудования.
Разжижение масла приводит к снижению рабочего давления в системе смазки, что ещё больше осложняет работу подшипников скольжения. Кроме того, разбавленное топливом масло теряет свои расчётные характеристики в тех местах, где оно выполняет функцию гидравлической жидкости, например, в механизмах управления фазами газораспределения.
Топливо растворяет (разжижает) масло на стенках цилиндра и затем, после воспламенения в цилиндре, сгорает, увлекая в этот процесс и частицы масла. Разжиженная масляная плёнка соскабливается поршневыми кольцами и попадает в зазор между гильзой и поршнем в зоне жарового пояса поршня. Распространенная «Т»-образная форма юбки поршня в современных двигателях может являться одной из причин повышенного расхода масла. При разжижении масла топливом происходит существенное понижение температуры вспышки масла (рис. 2), и оно, зажатое между поршнем и гильзой в зоне жарового пояса, начинает выгорать, однако, ввиду недостатка кислорода реакция окисления оказывается неполной, с высокой степенью сажеобразования (рис. 3). В таких зонах накапливаются сажевые отложения, которые при определённых условиях могут стать провокаторами разрушительного для двигателя явления – преждевременного воспламенения (pre-ignition) [6, 7].
Топливо приводит к деградации масла, снижает концентрацию и срок эффективного действия присадок, что сокращает срок службы масла и требует более частой его замены.

Рис. 1. Зависимость кинематической вязкости масла SAE 0W-40 при 40°С и 100°С от массового содержания топлива в масле. / Fig. 1. Dependence of the SAE 0W-40 oil kinematic viscosity at the temperatures of 40°C and 100°C on mass content of fuel in oil.

Рис. 2. Зависимость температуры вспышки моторного масла от массового содержания топлива по данным источников [4] и [5]. / Fig. 2. Dependence of oil-flash temperature on mass content of fuel according to the data from sources [4] and [5].

Рис. 3. Сажевые отложения в зоне жарового пояса. / Fig. 3. Carbon deposits at the heat belt zone.

ПРИЧИНЫ ПОПАДАНИЯ ТОПЛИВА В МАСЛО

Можно выделить следующие причины попадания топлива в масло:

Конструктивные*:

недостатки конструкции распылителя форсунки, такие как: количество, расположение и диаметр сопловых отверстий, направление топливного факела;
неплотное прилегание маслосьемных колец к стенкам гильзы цилиндра.

Регулировочные:

неполное сгорание, вызванное переобеднением или переобогащением топливовоздушной смеси, приводящее к пропускам зажигания;
неправильная организация фазированного, «пилотного» впрыскивания, начала и продолжительности впрыскивания.

Эксплуатационные:

работа двигателя при низкой температуре охлаждающей жидкости и/или масла;
частые и короткие поездки, при которых двигатель не успевает прогреться;
негерметичность топливной аппаратуры – подтекание топлива из форсунок в закрытом положении;
неисправность системы зажигания, в частности неисправность свечей – пропуски зажигания;
износ цилиндропоршневой группы, как следствие – интенсивный прорыв картерных газов, вместе с которыми пары топлива поступают в картер, где далее конденсируются и насыщают масло.

Некоторые авторы, также называют одной из причин высокого содержания топлива в масле длительную работу на холостом ходу, что, по их мнению, характерно для городских условий движения [8], однако, моторные-стендовые и дорожные испытания, проведенные в НАМИ, этого не подтверждают.

ДОПУСТИМЫЕ ЗНАЧЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ТОПЛИВА В МАСЛЕ

Каково предельное массовое содержание топлива в масле? Этот вопрос не имеет однозначного ответа ни в отношении дизелей, ни в отношении бензиновых двигателей. Слишком велико количество факторов, которые нужно принимать при ответе на него во внимание: условия эксплуатации, климатические условия, качество топлива, тип масла и его химический состав. Например, один из крупнейших производителей синтетических моторных масел, компания AMSOIL, декларирует следующие ограничения:

до 2,4% для бензиновых двигателей;
до 3,4% для дизелей [9].

Американская лаборатория POLARIS Laboratories [10] указывает допустимые пределы содержания бензина в масле 3–7%. Источник [11] говорит о 1,5% как о допустимой концентрации топлива в масле и о 5% как о предельной. Лаборатория «Диамас» [12] допускает наличие 7% топлива.

С другой стороны, в различных источниках утверждается, что при эксплуатации в среднестатистических условиях концентрация топлива в масле может достигать 9%, что является естественным и нормальным состоянием. По мнению владельцев автомобилей [13], предельное содержание топлива в масле для бензиновых и дизельных двигателей составляет 7%, хотя эти же автомобилисты не боятся кратковременно эксплуатировать двигатели в зимнее время при 20% топлива. При этом, статистическая обработка результатов анализа моторного масла автомобилей, находящихся в обычной эксплуатации в России и проходящих сервисное обслуживание (регламентная замена масла после 6–8 тыс. км пробега), позволяет предположить, что диапазон содержания топлива в масле у легковых автомобилей составляет 0,7–25,6% [13].

В этой связи, представляют интерес данные НАМИ, полученные в ходе исследований двигателей под руководством д.т.н. М.А. Зленко. Были проведены длительные лабораторно-дорожные испытания 30 легковых автомобилей разной массы, но оснащённых двигателями одной модели. Автомобили проходили разного рода испытания (скоростные, горные, «городской цикл» и т.д.) в течение нескольких лет в разных климатических условиях. Статистическая картина по содержанию топлива в масле для всех автомобилей во время этих испытаний показана на рис. 4. Результаты хорошо коррелируют с вышеуказанными данными из источника [13].

Рис. 4. Статистические показатели массового содержания топлива в масле для 30 автомобилей в течение опытной эксплуатации. / Fig. 4. Statistical data of mass content of fuel in oil from 30 automobiles during testing service.

Важно заметить, что значения выше 15–20% фиксировались как в зимних, так и в относительно тёплых климатических условиях.

На рис. 5 показана вариация концентрации топлива в масле у одного из опытных двигателей в течение 9 месяцев его эксплуатации (в пределах межсервисного интервала). Исходя из плотности распределения результатов измерений (см. рис. 4) и результатов наблюдений за отдельными автомобилями (см. рис. 5), можно констатировать, что для данных двигателей содержание топлива в масле обычно находится в пределах 1…15%. Во время дефектовки участвовавших в испытаниях двигателей при визуальном осмотре деталей не обнаружены следы существенного износа. Можно предположить, что приведенный уровень содержания топлива 1…15% не является критическим для данного двигателя при условии соблюдения регламента технического обслуживания. Для более точной оценки состояния двигателя требуется провести исследования моторного масла с определением элементного состава и содержания ферромагнитных частиц.

Рис. 5. Изменение массового содержания топлива в моторном масле у одного из автомобилей в течение межсервисного интервала. / Fig. 5. Change of mass content of fuel in motor oil from one of the automobiles during period between maintenance.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Имеет место существенный разброс мнений и рекомендаций о допустимой концентрации топлива в масле. Отсюда можно сделать вывод, что само по себе значение концентрации топлива в масле не имеет особого значения, и для определения максимально допустимого уровня содержания топлива в масле целесообразно будет провести исследования по определению допустимых пределов отдельных показателей моторного масла, в первую очередь, вязкости. В случае, если содержание топлива приводит к выходу хотя бы одного показателя масла за допустимые пределы, то данное значение концентрации топлива будет считаться критическим. Кроме того, с точки зрения эксплуатации важными являются вопросы: на каких режимах и каким образом топливо попадает в масло, и существуют ли способы вернуть масло к исходному состоянию, удалив из него топливо. Для ответа на эти вопросы необходимо провести ряд дополнительных исследований.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. В.М. Краснов ― написание текста рукописи, обработка экспериментальных данных; А.С. Теренченко ― экспертная оценка, утверждение финальной версии; Д.С. Тимофеев ― помощь в проведении экспериментов, отбор проб моторного масла; И.С. Шибаев ― редактирование текста рукописи; Н.Д. Степин – обработка экспериментальных данных, поиск публикаций по теме статьи, редактирование изображений. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors contribution. V.M. Krasnov ― writing the text of the manuscript, processing of experimental data; A.S. Terenchenko ― expert opinion, approval of the final version; D.S. Timofeev ― assistance with experiments, engine oil sampling; I.S. Shibaev ― editing the text of the manuscript; N.D. Stepin ― processing of experimental data, search for publications on the subject of the article, image editing. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. TThe authors declare no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. The authors state that there is no external funding for the study.

Об авторах

Владимир Михайлович Краснов

Государственный научный центр Российской Федерации «НАМИ»

Автор, ответственный за переписку.
Email: vladimir.krasnov@nami.ru
ORCID iD: 0000-0003-4855-9105
SPIN-код: 3726-5821

канд. техн. наук, заведующий научно-исследовательским отделом горюче-смазочных материалов и спецжидкостей Центра «Энергоустановки»