Вопросам влияния эксплуатационных факторов и режимов работы на ресурс автотракторных двигателей посвящено большое число исследований.

Так при низких температурах воздуха в процессе пуска холодных двигателей возрастает износ цилиндров и поршневых колец. Основной причиной интенсификации износа при этом является нарушение условий смазки, а также возникновение электрохимической коррозии. Последняя особо активизирует процесс износа при падении температуры охлаждающей жидкости ниже 60-70°С [1].

Испытаниями установлено, что при холодной проточной воде и частых пусках в сравнении с нормальными условиями работы износ цилиндров и поршневых колец возрастает в 2-4 раза.

Эксплуатация автотракторной техники с частыми остановками и пусками, а также переключениями передач значительно снижают долговечность двигателя за счет попадания обогащенной смеси на стенки цилиндров, смывающей смазку. Последнее способствует интенсификации коррозионно-механического износа.

Особое влияние на ресурс двигателей оказывают применяемые в эксплуатации смазочные масла – их физико-химические свойства и стабильность этих свойств в процессе эксплуатации, а так же при изменении температуры. При высоких температурах свыше 150°С ускоряется процесс окисления и старения масел.

Вязкость масла должна быть достаточно высокой для создания защитных пленок на поверхностях сопряжений в условиях малых скоростей и повышенных нагрузок. В то же время вязкость масел ограничивается требованиями обеспечения хорошего отвода тепла от поверхностей трения и низкого коэффициента трения при высоких скоростях в режиме гидродинамического трения [2].

В настоящее время найдены эффективные пути решения этой задачи. Разработана технология получения на поверхностях трибосопряжений квазикристаллического молекулярного слоя. Формирование такого слоя происходит за счет адсорбции амфифильных молекул с перфторированным радикалом из раствора, где роль растворителя выполняет смазочное масло [3].

Т.е. такой молекулярный слой является модификатором поверхности, предающей ей такие уникальные свойства, как снижение износа и коэффициента трения, антикоррозионную стойкость, защиту поверхности в случае отсутствия смазки, а также снизить адгезию смазки к поверхностям трибосопряжений.

Соединения, обладающие способностью влиять на свойства поверхности, в дальнейшем «Модификатор», называются поверхностно-активными веществами и относятся к наноматериалам [4].

Важные значения для получения качественной защитной молекулярной пленки имеет концентрация «Модификатора» в смазочной среде.

Для этой цели были изготовлены растворы различной концентрации, где в качестве растворителя использовалось летучее вещество типа хладон.

В раствор были помещены металлические пластины, после выдержки и сушки были произведены замеры краевого угла смачивания. Результаты зависимости краевого угла смачивания для воды и масла представлены на рис. 1.

Рисунок 1 – Зависимость краевого угла смачивания от концентрации «Модификатора»

Как следует из приведенных на рисунке данных, при концентрации «Модификатора» 0,5÷1,0% происходит образование насыщенного молекулярного слоя.

Оценка прочности молекулярных пленок проводилась в соответствии с методикой НИИЧаспрома по величине краевого угла смачивания капли масла МН-60 ГОСТ 8781-71.

Порядок проведения эксперимента.

1. Металлические пластины (3 шт.) с шероховатостью поверхности Rz 0,1 (материал - У10А) были промыты моющим средством «Арсек» ТУ 38.504-63-0292-92, просушены, затем были промыты трихлорэтиленом и просушены.
2. На приготовленные пластины были нанесены капли масла МН-60 и замерены краевые углы смачивания. Краевой угол равен порядка 25°.
3. На металлические пластины методом окунания согласно методике «НИИЧаспрома» были нанесены молекулярные пленки, после чего пластины были высушены в термошкафу при температуре 40°С в течение 30 минут.
4. На каждую пластину были поставлены капли масла МН-60 маслодозировкой № 6 и измерены краевые углы смачивания.
5. Оценивалось значение краевых углов смачивания после 5-ти кратной промывки трихлорэтиленом.

Результаты измерения краевых углов смачивания представлены в табл.1

Таблица 1 - Результаты измерения краевых углов смачивания.

Краевой угол смачивания Θ, среднее значение угла смачивания Θ_ср., изменение угла смачивания ΔΘ, град.

После 5-ти промывок угол практически не изменился, что свидетельствует о прочности молекулярной пленки.

Оценка влияния «Модификатора» на пусковые качества ДВС при отрицательных температурах заключалась в определении предельной температуры пуска дизельного и карбюраторного двигателей, а также величины тока в цепи стартера.

В качестве объектов испытаний были использованы силовые агрегаты автомобилей ЗИЛ-4331 и ЗИЛ-130.

Методика проведения испытаний.

Испытания проводились в соответствии с требованиями отраслевого стандарта ОСТ 37.001.052 87 «Требования к пусковым качествам автомобильных двигателей», инструкцией по эксплуатации автомобилей ЗИЛ-4331, ЗИЛ-130 и на основе рекомендаций производителя ЗАО «Автоконинвест» по вводу «Модификатора» в масла двигателей и трансмиссий.

В качестве моторного и трансмиссионного масел использовались товарные сорта, рекомендованные инструкциями по эксплуатации автомобилей в зимний период.

Для дизельного двигателя:

- моторное масло М8 Г2К;

- трансмиссионное масло ТСп-15К;

Для карбюраторного двигателя:

- моторное масло М6з/12В;

- трансмиссионное масло ТСп-14.

Испытания проводились в низкотемпературной камере.

Пуск дизельного двигателя проводился, от двух аккумуляторных батарей 6СТ-190 ТР заряженных на 75 % от номинальной емкости.

Пуск карбюраторного двигателя проводился от одной аккумуляторной батареи 6CT-90 заряженной на 75% от номинальной емкости.

Питание дизеля осуществлялось товарным зимним топливом марки «ДЗ», карбюраторного двигателя - товарным бензином А-76.

Система охлаждения двигателей заправлялась тосолом А-40.
Испытания проводились в три этапа.

I этап: 

Проверка пусковых качеств испытуемых двигателей: дизельного при температуре -12°С (в соответствии с ОСТ.37.006052-87), карбюраторного при -15°С (в соответствии с инструкцией по эксплуатации автомобиля ЗИЛ-130, т.к. двигатель разработан и поставлен на производство до выхода данного ОСТа).

II этап:

Заливка в моторное и трансмиссионное масло «Модификатора» в количествах: 0,5 %.

Двигатели и КПП предварительно были прогреты до рабочих температур.

Обкатка двигателей на стенде в объеме 10 часов, причем обкатка дизеля производилась при его работе на холостом ходу, обкатка карбюраторного двигателя производилась от электробалансирной машины.

III этап:

Определение предельной температуры пуска двигателей после ввода «Модификатора» и производства обкатки.

Контролируемые параметры при испытаниях:

- температура окружающего воздуха в холодильной камере, °С;

- температура охлаждающей жидкости, °С;

- температура масла в поддоне двигателя, °С;

- температура масла в КПП, °С;

- температура электролита аккумуляторных батарей, °С;

- температура стенки цилиндра двигателя, °С;

- частота вращения двигателя стартером при пуске, об/мин;

- ток в цепи стартера, А.

Метрологическое обеспечение.

Для измерения контролируемых параметров использовались:

- подсистема измерения температуры:

тип 3487, фирма «YEW», способ измерения - хромель-копелевые ТХК-термопары; предел измерения: - 60^÷ +150°С; точность измерения: ± 0,1°С;

Список термопар:

Т1 - охлаждающая жидкость;

Т3 - масло в поддоне двигателя;

Т5 - электролит аккумуляторных батарей;

Т7 - воздух в объеме холодильной камеры;

Т9 - стенка цилиндра двигателя.

Перед проведением испытаний все температуры выравнивались с точностью до 1 ^÷ 1,5С;

- подсистема измерения частоты вращений двигателя и тока в цепи стартера: осциллограф Fotokorder 2932, индуктивный датчик, шунт 1000А.

Расчет времени (t), частоты вращения двигателя (n) и тока стартера (Iст) по ленте осциллографа производились по тарировочным формулам:

t = 0,6666 сек х 1 см (по оси абс.)

n = 20 об/мин х 1 мм (по оси орд.)

Iст = 60А х 1 см (по оси орд.)

Все приборы и датчики были предварительно оттарированы и отвечали
метрологическим требованиям.

Результаты испытаний дизельного двигателя ЗИЛ-645представлены на рис. 2-5.

Пуск двигателя без применения универсального модификатора производился при температурном состоянии холодильной камеры и двигателя, указанном на рис. 2.

Рисунок 2 – Фрагменты осциллограмм пуска дизельного двигателя

ЗИЛ-645 без применения «Модификатора» при температуре воздуха -12,4°С.

Скорость прокрутки двигателя стартером составила 152-157 об/мин, ток стартера составил 537А, двигатель пустился на первой попытке (рис. 2).

Скорость прокрутки двигателя стартером после введения «Модификатора» и обкатки при температуре -12°С увеличилась до 180 об/мин при практически не изменившемся токе стартера – 530А. Пуск двигателя при данной температуре не производился (рис. 3)

Рисунок 3 – Фрагменты осциллограмм прокрутки дизельного двигателя

ЗИЛ-645 стартером после введения «Модификатора» и обкатки при температуре воздуха -13,5°С.

При температуре -17°С была произведена попытка пуска. Двигатель пустился на первых секундах стартования, при этом частота его вращения стартером составила 150 об/мин, максимальный ток стартера – 555А, при появлении активных вспышек значение тока – 488А с дальнейшим падением.

Уменьшение частоты вращения двигателя с возрастанием тока произошло из-за повышения, под влиянием температуры, вязкости масла и снижения стартовой емкости аккумуляторных батарей (рис. 4).

Рисунок 4 – Фрагменты осциллограмм пуска дизельного двигателя

ЗИЛ-645 после введения «Модификатора» и обкатки при температуре воздуха -17°С.

При температуре -20°С двигатель пустился на 19-й секунде стартования и достаточно быстро вышел на работу по всем цилиндрам, при этом частота вращения составила 140 об/мин, ток – 564А (рис. 5).

Рисунок 5 – Фрагменты осциллограмм пуска дизельного двигателя

ЗИЛ-645 после введения «Модификатора» и обкатки при температуре воздуха -20°С.

Таким образом введение «Модификатора» в моторное масло дизельного двигателя и в трансмиссионное масло КПП, с последующей обкаткой силового агрегата в течение 10 часов позволило снизить. предельную температуру пуска с -12°С (по ОСТу) до минус 20°С, при этом снижается нагрузка на электростартерную систему пуска двигателя.

Результаты испытаний карбюраторного двигателя ЗИЛ-130 представлены на рис. 6-9.

Пуск двигателя без применения «Модификатора» производился при температуре воздуха в холодильной камере -15°С (рис. 6).

Рисунок 6 – Фрагменты осциллограмм пуска бензинового двигателя

ЗИЛ-130 без применения «Модификатора» при температуре воздуха -15°С.

Двигатель пустился со второй попытки, при этом скорость прокрутки двигателя стартером составила 90 об/мин, а ток стартера 240А (рис. 6).

После ввода «Модификатора» и обкатки двигателя, его пуск (при температуре -15°С) произошел на первой попытке, при этом частота вращения двигателя стартером составила 110 об/мин при токе стартера 215А (рис. 7).

Рисунок 7 – Фрагменты осциллограмм пуска бензинового двигателя

ЗИЛ-130 после введения «Модификатора» и обкатки при температуре воздуха -15°С.

При температуре -20°С двигатель пустился на второй попытке при частоте вращения двигателя стартером 100 об/мин и величине тока 318-324А (рис. 8).

Рисунок 8 – Фрагменты осциллограмм пуска бензинового двигателя

ЗИЛ-130 после введения «Модификатора» и обкатки при температуре воздуха -20,9°С.

При температуре воздуха -25°С (масло и электролит аккумуляторных батарей – -22°,8С и -23°С соответственно) двигатель пустился со второй попытки при частоте вращения двигателя стартером 80-84 об/мин и величине тока 360-372А (рис. 9). При дальнейшем снижении температур двигатель не пустился.

Рисунок 9 – Фрагменты осциллограмм пуска бензинового двигателя

ЗИЛ-130 после введения «Модификатора» и обкатки при температуре воздуха -25°С.

Введение «Модификатора» в масло (две упаковки в двигатель и две в КПП) силового агрегата с карбюраторным двигателем ЗИЛ-130 позволило снизить предельную температуру пуска двигателя до - 23°С (по инструкции на автомобиль ЗИЛ-130 ниже температуры -15°С рекомендуется использовать предпусковой подогреватель).

Введение «Модификатора» в силовые агрегаты с дизельным и карбюраторным двигателем дает возможность улучшить их пусковые качества, очевидно за счет снижения момента сопротивления проворачивания двигателя стартером и повышения пусковых оборотов (момент сопротивления в процессе экспериментов не измерялся).

Литература

1. Белицкий М.С. Основы эксплуатационной долговечности двигателя автомобиля. Новочеркасск. Ун. из-во, 1961 г. – 264с.
2. Гурвич И.Б. Долговечность автомобильных двигателей. – М.: Машиностроение, 1967. – 103 с.
3. Гайдар С.М. Применение нанотехнологий для повышения надежности машин и механизмов// Грузовик. – 2010. – №10. – с. 38-41.
4. Рамбиди Н.Г., Березкин А.В. Физические и химические основы нанотехнологий. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 456 с.
5. Испытания дизельного двигателя ЗИЛ – 645 и карбюраторного двигателя ЗИЛ-130 с использованием «Универсального модификатора» на пусковые качества при отрицательных температурах. «Завод имени И.А. Лихачева» (АМО ЗИЛ). ИЗ. 37.105.02.149-94, КОНСТРУКТОРСКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО, 1994. – 15с.