В данной статье проводится анализ механизма поломки клапана, сделанный на основании дорожных и стендовых моторных испытаний, анализов отложений и конструкционных металлов, используемых в системе выпуска. Иные причины, связанные с регулировками газораспределительного механизма, системы впрыска и зажигания, а также качеством топлива, здесь не рассматриваются.


Одной из основных причин прогорания клапанов на правильно отрегулированных двигателях, работающих на рекомендованных топливах, является избыточное количество металлсодержащих присадок в составе моторного масла. При сгорании масла в зоне верхних поршневых колец эти присадки образуют золу (сернистый пепел), которая откладывается на стенках цилиндра, способствует абразивному износу поршневых колец и цилиндра, сбивает нагар и сажу с камеры сгорания и засоряет каталитический нейтрализатор, а также накапливается на фасках и седлах выпускных клапанов, способствуя их прогоранию.

Выход из строя клапана начинается с потери части отложений с поверхности клапана и седла. Отложения представляют собой золу металлсодержащих присадок, образованную от практически полностью сгоревшего масла и незначительного содержания органических соединений. Прогрессируя, канал прогара расширяется и пропускает часть горящих газов. Эти газы вызывают высокотемпературное окисление (коррозию) и эрозию металла до состояния необратимой поломки. Отложения сами по себе не влияют на скорость прогара.

В начальных периодах прогар проявляется в двух формах. В некоторых случаях — как «след черного налета» на белой поверхности покрываемого пеплом клапана. А иногда черный след отсутствует, но прорвавшиеся газы образуют канал в поверхности отложений и самого металла клапана. На входе канал имеет вытянутую форму, а на выходе — структуру, подверженную эрозии. Данный канал хорошо характеризует механизм поломки. В ходовых испытаниях тяжелых грузовиков масла с содержанием пепла 0,83% не вызвали поломок клапанов. И напротив, масла с содержанием пепла 2,2% вызывали прогар клапанов, а затем и выход их из строя.

Высокотемпературное окисление и эрозия развивается соответственно и на седлах клапанов.

На протяжении многих лет эксплуатации стало очевидным, что к поломке выхлопных клапанов склонны двигатели, работающие на маслах с высоким содержанием пепла. Таким образом, в США многие производители моторов ограничивают содержание зольности в моторных маслах до 1%, в Европе производители тяжелых дизельных моторов — до 2%, а легковых бензиновых и дизельных — до 1,5%. Правда, это стандартные требования и некоторыми производителями моторов они еще больше ужесточены. Связано это в том числе с желанием производителей продлить ресурс цилиндро-поршневой группы, системы выхлопа, а также с улучшением экономичности двигателей, ведущей к их форсированности, не допускающей появления в двигателе факторов, приводящих к детонации. Кстати, не так давно в ССМС обязательным было испытание всех масел в двигателе «Фиат», позволяющем определить склонность масла к детонации, вызванной нагаром и золой. Данный метод в АСЕА не приняли по причине плохой воспроизводимости результата, стремления снизить трудоемкость классификационных испытаний и накопленного опыта по допустимой золе.

Основываясь на данных испытаний, можно рекомендовать для парков легковых автомобилей использовать масла с зольностью 0,7-1,3 % и грузовых дизелей 1,2-1,8% для того, чтобы избежать поломки выпускного клапана.

Анализ показал, что наиболее склонны к поломкам двигатели, работающие на переменных режимах, характеризующиеся длительной работой на холостом ходу, а затем на средней и максимальной мощности. Типичным примером таких режимов является работа городского транспорта и строительной техники. Работа двигателя на холостых оборотах и полной нагрузке вызывает быстрый выход клапанов из строя. В США такие поломки наиболее часто встречались в городских автобусах, во внедорожном оборудовании и траулерах, специализирующихся на ловле тунца. Во всех случаях цикл работы двигателя включал в себя длинные периоды холостого хода, чередующиеся с быстрым ускорением и выходом на полную мощность.

Провоцирует начало прогара повышенный расход масла, длительная работа на холостом режиме, характерном для легковых автомобилей с неправильной эксплуатацией, предполагающей абсолютно вредные утренние прогревы двигателя. Во время таких режимов, не обоснованных конструктивно, из-за плохой продувки камеры сгорания на рабочих поверхностях клапана в больших количествах образуются отложения из недогоревшего масла и золы, разрушаемых при закрытии клапана. Такой мягкий, имеющий малую прочность нагар, образованный вследствие неправильной эксплуатации, является главной причиной прогорания клапанов. Так что расход масла двигателем, его зольность и режим эксплуатации — взаимосвязанные причины, отрицательно влияющие на ресурс клапанов.

Следует помнить, что понижение зольности не может быть самоцелью при выборе потребителем масла, так как в определенной степени содержание золы свидетельствует о соответствующей концентрации всех необходимых присадок в масле, а значит и о комплексе его свойств. Кроме того, современные технологии позволяют изготовлять моторные масла, не требующие высокого уровня моющих свойств (на синтетических основах, мало подверженных окислению) с одной стороны, и использовать беззольные дисперсанты, позволяющие значительно снизить содержание золы в готовом продукте, с другой. Например, масла для двухтактных водоохлаждаемых двигателей вообще имеют нулевую зольность. Такие масла в клапанных двигателях использовать нельзя, так как та же эрозия клапана может возникнуть в результате адгезии, провоцируемой высокими температурами и давлением на чрезмерно чистых контактируемых поверхностях клапана и седла, не расcчитанных на такие режимы работы используемых в двигателях конструкционных материалов.

Следует особо отметить, что информация, изложенная в данной статье, приведена отвлеченно от взаимосвязи зольности как физико-химического параметра масла с другими его свойствами. Кроме того, не описано влияние топлива на зависимость износа клапанов от зольности масла, а оно вносит существенные коррективы в сказанное. В объеме журнальной статьи более подробно осветить эту тему не представляется возможным. Тем не менее, в большинстве типичных случаев, характерных для сегодняшнего рынка топлива и смазочных материалов, эта информация будет полезной.