Bilim.techО проекте

Сера, вода и абразив: коррозия и износ

Почему ночь на холостом в мороз на сернистом топливе съедает гильзы и масло, а К5 без присадки губит ТНВД? Выбирай топливо, режим и интервал замены масла, добавляй воду и пыль и смотри на TBN, кислоту на стенке и износ плунжера.

01 Что это такое

Три примеси топлива изнашивают двигатель по-разному: сера превращается в кислоту и разъедает гильзы, вода рвет и ржавит прецизионные детали, абразив режет пары ТНВД и форсунок.

Сера сгорает вместе с топливом в SO₂, малая часть доокисляется до SO₃. Вместе с водяным паром из продуктов сгорания получается серная кислота. Пока стенка цилиндра горячая, кислота остается паром и улетает в выпуск. Если стенка холоднее точки росы кислоты, она оседает каплями на гильзе и кольцах и съедает металл. Щелочь моторного масла (TBN) нейтрализует кислоту, но запас ее кончается, и масло приходится менять раньше. Малосернистое топливо К5 решает эту беду, зато после глубокой очистки от серы оно хуже смазывает, и ему нужна противоизносная присадка. Вода и твердые частицы бьют по топливной аппаратуре, где зазоры всего 1–3 мкм. Как устроены сами системы, смотри в темах «Топливная система Common Rail» и «Топливная система низкого давления», а откуда в топливе вода и грязь, в теме «Вода и грязь в топливе» этого раздела.

СераВодаАбразивSO₂ → SO₃+ H₂OH₂SO₄холодная стенка: кислотаоседает и разъедает металлкапля воды вскипает:кавитация, ржавчина, трещина2 мкмкварц размером с зазоррежет плунжер и втулку
Зазор плунжера показан с огромным увеличением: 2 мкм в 30 раз тоньше человеческого волоса.
TBN
Щелочное число масла, мг KOH/г. Запас щелочи, который гасит кислоты. У свежего дизельного масла обычно 8–12, у масел для сернистого топлива 15 и выше. Масло меняют, когда TBN упало примерно вдвое.
Tр
Точка росы кислоты. Температура, ниже которой пары серной кислоты оседают каплями. Чем больше серы, тем она выше. Холодная гильза на холостом ходу в мороз оказывается ниже нее.
HFRR
Смазывающая способность топлива по ISO 12156-1: шарик трут о пластину в топливе при 60 °C и меряют пятно износа. Требование EN 590 и ГОСТ 32511: не больше 460 мкм.
02 Опыт
Выбирай топливо. Гоняй на холостом. Меняй масло. ГИЛЬЗА И МАСЛО
ДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО

Что топливо делает с гильзой, маслом и ТНВД?

Рис. 15.9
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ
03 Формулы по буквам

Когда кислота садится на стенку и сколько проживут масло и ТНВД

Три правила: на сколько часов хватит щелочи масла, где на гильзе выпадает кислота и во сколько раз ускоряют износ насоса плохая смазка, вода и пыль. Числа берутся из опыта.

На сколько часов хватит щелочи масла?

tпр = (TBN₀ / 2) / (k₀ + kS · S)

TBN тает почти равномерно: часть уходит на окисление и сажу при любом топливе (k₀), часть на кислоты от серы (kS · S). Масло считают исчерпанным, когда TBN упало вдвое от свежего.

tпр
сколько часов масло держит щелочной запас, ч
TBN₀
щелочное число свежего масла, мг KOH/г
k₀
расход TBN без серы, мг KOH/г за час, в опыте около 0,006
kS · S
расход на кислоты; S сера топлива, мг/кг. Растет на холостом и в коротких рейсах

Выпадет ли кислота на гильзу?

Tст < Tр(S) → капли кислоты

Точка росы растет с серой: SO₃ становится больше, и кислота конденсируется при более высокой температуре. Гильза сверху горячая, книзу холоднее. Та часть, что холоднее Tр, мокнет кислотой.

Tст
температура стенки гильзы, °C: от верха к низу падает на 45–70 °C
Tр
точка росы серной кислоты в цилиндре, °C. В опыте по формуле Верхоффа и Банчеро при давлении 20 бар
S
сера в топливе, мг/кг (то же, что ppm по массе)

Во сколько раз быстрее изнашивается ТНВД?

N = Nбаз / (mс · mв · mа)

Каждая беда умножает скорость износа. Множитель 1 у топлива К5 с присадкой, сухого и чистого. Беды складываются не сложением, а умножением, поэтому вода вместе с пылью особенно опасна.

N
ресурс насоса и форсунок, % от базового
mс
за смазывающую способность: растет, если пятно HFRR больше 400 мкм
mв
за свободную воду сверх той, что растворена (около 80 мг/кг)
mа
за частицы: число по коду ISO 4406, твердость и размер против зазора

Откуда берется кислота и почему опасен именно холостой ход

Килограмм топлива с 2000 мг/кг серы несет 2 г серы. Почти вся она сгорает в SO₂, а 2–5 % доокисляются до SO₃. SO₃ с водяным паром дает пары серной кислоты, и они конденсируются при температуре намного выше, чем чистая вода. Поэтому кислота выпадает даже на стенку горячее 100 °C.

На нормальной нагрузке верх гильзы прогрет до 180–200 °C и сухой, кислота садится только на нижнюю, более холодную часть. На холостом в мороз гильза остывает до 70–120 °C и вся оказывается ниже точки росы. Капли смывают масляную пленку, разъедают металл под верхним кольцом, а продукты попадают в картер и съедают TBN. Отсюда правило: не гонять технику часами на холостом и держать двигатель прогретым. Как TBN меряют и по каким пределам меняют масло, разобрано в теме «Анализ масла», как работают щелочные присадки, в теме «Присадки: кто и для чего».

Производители давно связывают серу с маслом. Старое правило Caterpillar для двигателей с непосредственным впрыском: TBN свежего масла не меньше 10 × содержание серы в процентах, а масло меняют, когда TBN упало вдвое. Cummins для сернистого топлива (больше 350 мг/кг) требует строго держать интервалы, а браковочный TBN называет как половину от свежего или 2,5. Двигатели Tier 4 с сажевым фильтром и SCR рассчитаны только на топливо до 15 мг/кг серы.

SSO₂SO₃+O₂, горение2–5 % серы+H₂OH₂SO₄ парTст < Tр: капликоррозия гильзыв масло:гасит TBN
Масло не останавливает конденсацию на стенке, оно только гасит кислоту, которая до него дошла.
04 Где и зачем это применяют

Топливо решает, сколько проживут масло, гильзы и форсунки

Допущения модели+

Пределы серы К3, К4, К5 взяты из ТР ТС 013/2011 (350, 50 и 10 мг/кг), предел пятна HFRR 460 мкм и воды 200 мг/кг из EN 590 и ГОСТ 32511. Точка росы серной кислоты считается по формуле Верхоффа и Банчеро при давлении 20 бар, 6 % водяного пара и переходе 3 % серы в SO₃. Это учебная оценка: в реальном цилиндре давление и состав газа меняются каждый градус поворота. Температуры гильзы для трех режимов заданы условно. Расход TBN линейный, коэффициенты подобраны так, чтобы масло с TBN 10 на топливе с 0,5 % серы теряло половину запаса примерно за 250 ч, а на К5 примерно за 800 ч. Коррозионный износ гильзы растет с серой, с долей стенки ниже точки росы и с исчерпанием TBN; его абсолютные значения ориентировочные. Множители износа ТНВД учебные, базовый ресурс насоса 20 000 ч задан условно для сравнения. Правила Caterpillar и Cummins приведены как пример; для конкретной машины действует ее руководство по эксплуатации.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →