УДК: 621.43.019.9
Усольцев А.А, Колдаев Н.В., Лахин А.В.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАГАРОВ
Владивостокский государственный университет экономики и сервиса
The properties of carbon deposites from different parts of CPG /cylinder piston group/ i.d. : combustion chamber, piston rings grooves, piston heads, discharge valve seats are researched at this article. The physicochemical parameters of receach samples are resulted at this paper. The supposion about covalence character of carbon bond with metalic surface CPG is speaked out at the work.
Keywords: engine, cylinder, piston, valve, rings, carbons, composition, surface, covalence bond.
В этой работе исследована природа нагаров и отложений, собранных с различных частей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Приведены физико-химические характеристики исследованных образцов. Высказано предположение о ковалентном характере связи нагаров с металлической поверхностью частей ЦПГ ДВС.
Ключевые слова: двигатель, цилиндр, поршень, клапаны, кольца, нагары, состав, поверхность, ковалентная связь.
В настоящее время автомобильный парк Приморского края пополняется транспортными средствами новых конструкций. Дальнейшая их эксплуатация, безаварийная работа, продление моторесурса невозможны без организации служб экспресс-диагностики и предупредительного ремонта. Зачастую нештатная работа двигателя связана с образованием нагаров и отложений в цилиндропоршневой группе (ЦПГ) и масляной системе [1,2,3]. Это может вызывать так называемый эффект «залегания колец», калильное зажигание, детонацию или жесткую работу двигателя [4]. Создание простой технологии безразборной очистки ЦПГ двигателей является, таким образом, актуальной задачей. Вместе с тем разработка химических композиций, которые справлялись бы с этими проблемами, требует тщательного изучения механизмов нагарообразования и самой природы нагаров и отложений.С этой целью были собраны образцы нагаров с различных деталей ЦПГ частично или полностью разобранных ДВС (путем соскоба). В ЦПГ были выбраны: канавки под компрессионными и маслосъемными кольцами, выпускные клапаны и седла, днище поршня. Все двигатели с пробегом более 150 тыс. км имели признаки залегания компрессионных колец (неравномерное значительное снижение компрессии по цилиндрам). Всего было обследовано 12 двигателей машин фирм «ТОYОТА», «ММС» «НОNDА», «ISUZU», «ГАЗ», «ВАЗ», «ЗИЛ». Во всех случаях для образцов нагаров были получены следующие физико-химические характеристики:
Измерение оптической плотности выполняли на ИК-спектрометре Sреktrum ВХ II фирмы Perkin-Elmer. Содержание углерода в образцах определяли с помощью анализатора углерода, азота и водорода фирмы Сагlо Erba Termoclas (Италия), модель Flush ЕА 100012 НСN / МАS 200. Термогравиметрический анализ образцов осуществляли на приборе дериватограф Shimadzu DTG – 60H. Условия: 10°/мин до 1500°С.Атомно-абсорбционный спектрофотометр АА-6601F (Shimadzu) использовали для определения содержания в образцах Fe и Al. Спектральные и физико-химические характеристики нагаров внутри бензиновой и дизельной групп сходны между собой, но в то же время отличия между ними все же имеют место. Чтобы избежать повторения, анализ спектральных данных и физико-химических характеристик будет произведен на примере 5 образцов нагаров с различных частей ЦПГ бензинового – 3S FSЕ и дизельного – ZD 30 (ADTI), как наиболее характеристичных. Приняты следующие обозначения:
Образец 1 — нагар, собранный из канавок под компрессионными кольцами ЦПГ 3S FSE.
Образец 2 — нагар, собранный из канавок под маслосъемными кольцами ЦПГ 3S FSE.
Образец З — нагар с днища поршня ЦПГ 3S FSE.
Образец 4 нагар, собранный с седел и выпускных клапанов ЦПГ ZD 30.Образец 5 нагар с днища поршня ЦПГ ZD 30.
Все образцы представляют собой черные сыпучие порошки, нерастворимые в большинстве органических растворителей различной полярности. Частичное растворение и окрашивание растворов наблюдалось при нагревании в диметилформамиде (ДМФА), диметилсульфоксиде (ДМСО), гексаметаполе (ГМФК) и продажной (85%) H3РО4.
ИК спектр Образца 1) содержит полосы поглощения с максимумами при 3193 см-1 (связ. ОН), 2924. 2880 см-1 (-СН2), 1715 см-1 (С=О), 1615 см-1 (аром), 1456, 1379 см-1 (С-Н), 1153, 1116 см-1 (-С-О, С-О-С), 760 см-1 (С-О-М) и 600 см-1 (М-О-М). Отнесения полос сделаны на основании [5].
ИК спектр Образца 2 содержит практически те же полосы поглощения, но с незначительными гипсохромным сдвигом в ближней и батохромным в дальней ИК областях.
В ИК спектре Образца З заметно снижены интенсивности полос поглощения в области метиленовых групп (2924, 2853 см-1), карбонильной (1715 см-1), ароматической (1600 см-1) и метил-метиленовой составляющей (1450, 1380 см-1). В то же время относительная интенсивность других полос поглощения в дальней области ИК: 1090,01034 см-1 (С-О-, С-О- И С), 602, 556 см-1 (С-О-М, М-О-М) даже возрастает.
Такой характер ИК спектров образцов 1-3 нагаров позволяет предположить, что по своей природе они представляют собой сложные смеси полифункциональных органических соединений, вероятно, ковалентно связанных с металлической поверхностью через пленку оксидов.
ИК спектр Образца 4 содержит полосы поглощения с максимумами при 3200 см-1 (связ. ОН), 2924, 2853 см-1 (меиленовые), широкая диффузная полоса 1700-1600 см-1 (С=О и ароматика). 1457, 1377 см-1 (метил-метиленовые), 1115, 1034 см-1 (С-О, С-О-С), 668, 600 (С-О-М, М-О-М). Обращает на себя внимание значительное снижение интенсивности карбонильного и ароматического поглощения (1700-1600 см-1) , по сравнению с Образцом 1. Это связано, по-видимому, с более жестким характером процесса горения в дизелях.
И, наконец, интенсивности всех полос поглощения в ИК спектре Образца 5 (кроме очень интенсивных «метиленовых» - 2924 и 2853 см-1) значительно занижены даже по сравнению с аналогичным ИКС Образца З.
Предположение о природе нагаров, как о сложных смесях органических полифункциональных соединений, подтверждается и данными термогравиметрического анализа. Характерно, что практически во всех дериватограммах наблюдается двухэтапная потеря массы с пиками при 330-390 0С и 505-537 0С, которая заканчивается фактически до температуры крекирования (700 0С). Возможно, первый этап связан с процессами дегидратации, а второй с потерей тяжелых слабосвязанных ароматических фрагментов. Наличие в составе нагаров как сильносвязанных гидроксилсодержащих, так и ароматических компонентов подтверждается данными ИК спектров образцов.
В пользу этих рассуждений говорят также данные элементного анализа на углерод: во всех образцах содержание углерода находится в диапазоне 63-67%.
Показательно также и содержание в образцах металлов Fе и Аl, основных элементов сплавов, из которых выполнены элементы ЦПГ.
Таблица 1
Содержание металлов в образцах
|
Наименование |
Содержание Fe, % |
Содержание Al, % |
|
Образец 1 |
0,83 |
0,17 |
|
Образец 2 |
0,33 |
0,07 |
|
Образец 3 |
0,26 |
0,12 |
|
Образец 4 |
5,43 |
2,53 |
|
Образец 5 |
3,38 |
1,25 |
Обращает на себя внимание завышенное содержание металлов в образцах, полученных из ЦПГ дизельного двигателя (см. Образцы 4,5), что, вероятно, связано с большим износом ЦПГ [4].
В ходе данной работы удалось показать, что нагары в ЦПГ ДВС как дизельного, так и бензинового типов представляют собой не просто коксовые отложения, но смеси полифункциональных (поли-окси-оксо) органических соединений, повидимому, ковалентно связанных с поверхностной оксидной пленкой. Предварительные результаты [6], полученные нами при очистке такого типа двигателей от нагара, восстановление работоспособности свечей зажигания с помощью оригинальных фосфор- и борсодержащих композиций, показывают перспективность разработки этого направления исследований
Литература
1. Гнатюк Е.В., Самойлов АС. Двигатели внутреннего сгорания (Омский политех. Ин-т), 1974, №5, с.105.
2. Папок К.К., Виппер АБ. Нагары, лаковые отложения и осадки в автомобильных двигателях. М.: Машгиз, 1956.
3. Григорьев М.А., Пономарев НИ. Износ и долговечность автомобильных двигателей. М.: Машиностроение, 1976.
4. Лернер М.О. Регулирование процесса горения в двигателях с искровым зажиганием. М.: Наука, 1972. то::
5. Гордон А.,.Форд Р.. Спутник химика. М., Мир, 1976.
6. Патент РФ 2258820