«Биохимия» моторного масла: как определить состояние техники, не разбирая ее на части
Наиболее точный способ проверки здоровья человека — анализ крови. В клинике мы получаем результат с подробной информацией о концентрации химических веществ, на основе которого врачи ставят диагнозы, и мы либо радостно идем домой, либо получаем направление на лечение. У транспортных средств и оборудования также есть жидкость, со временем меняющая свои свойства и собирающая данные о их состоянии. Эта жидкость — масло.
Организм машин
Машины и промышленное оборудование, хоть и не относятся к живым организмам, по внутреннему устройству и принципу работы отдаленно напоминают человеческое тело. Как и люди, они подвержены старению, которое приводит к износу и поломкам. Если взять «анализ» у автомобиля и правильно его интерпретировать, по разным признакам можно определить возникшие неисправности и заранее предсказать их появление в будущем. Цифровой сервис G-Lab, разработанный учеными «Газпром нефти», работает именно так: кровь в машинах заменяет моторное масло, врачей — искусственный интеллект.
Носителем информации о состоянии двигателя выбрано масло, так как оно используется во всех видах техники и играет важную роль в поддержании ее срока службы. Кроме снижения силы трения, оно охлаждает, защищает, изолирует и очищает двигатель автомобиля и другие детали.
Наиболее распространенные в промышленности масла — минеральные, полученные после перегонки нефти. Это смесь углеводородов: соединений углерода (C) и водорода (H). Синтетические масла, полученные химическим путем, более разнообразны по составу. Помимо углеводородов, в них присутствуют гликоли (CnH2n(OH)2, органические соединения с гидроксильными группами — OH), силиконы (R2SiO)n, кремнийорганические соединения), сложные эфиры (R-COO-R’). В этих формулах O — кислород, Si — кремний, R и R’ — углеводороды, а n — целое число от одного до нескольких десятков. Во многие масла добавляют специальные вещества для снижения расхода масла, повышения срока эксплуатации и эффективности двигателя. Такими веществами могут быть как органические соединения сложной структуры, так и соли металлов: сульфиды, фосфаты, органические соли и графит.
Что происходит с маслом в моторе
Пока техника работает, масло копит примеси и к сроку плановой замены может на треть состоять из загрязняющих веществ. Это продукты окисления масла, топливо, вода, нерастворимые загрязняющие примеси: микрочастицы металлов, неорганические соли, зола и пыль.
Как только поворачивается ключ зажигания автомобиля или, например, экскаватора, масло начинает непрерывно циркулировать по системе, проходя через детали кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, и возвращается в емкость для хранения — поддон картера. В каждом механизме условия работы разные, поэтому и процессы появления и накопления загрязнений будут отличаться.
В камере сгорания двигателя, где температура достигает 3 500 градусов Цельсия, масло частично сгорает, образуя сажу. Частицы сажи вызывают износ деталей, забивают маслоподводящие каналы, вызывают нарушение температурного режима, частично смешиваются со смолистыми осадками топлива, образуя нагар и лаки на внутренней поверхности камеры. Нагар особенно опасен для двигателей, работающих при пониженных температурах или короткими периодами, так как самоочищения за счет постепенного сгорания нагара не происходит.
В составе добавок в масле содержится большое количество ионов металлов: кальция, бария, магния и других. Их сгорание приводит к образованию сульфатной золы, так как ионы в процессе горения взаимодействуют с кислородом и образуют нерастворимые оксиды металлов. Такая зола обладает высокими абразивными качествами и сильно повышает износ двигателя. Поэтому для масел введен специальный показатель сульфатной зольности, предельные значения которого строго регламентированы.
В камере сгорания в масло также попадает используемое топливо — дизельное или бензин, — что ведет к изменению вязкости. Содержание в масле всего 1,5% бензина сильно увеличивает износ двигателя и считается предельно допустимым.
В поршневой системе температура деталей выше, чем в двигателе, минимум на 100 градусов Цельсия. Компоненты масла здесь не сгорают, а окисляются с образованием лакообразных и смолистых веществ и органических кислот. Накопление кислот в масле приводит к повышению его вязкости и коррозии деталей двигателя.
Также в подвижных системах в масло постепенно примешиваются мелкие частицы так называемых металлов износа, появляющиеся при трении деталей друг о друга. Они вступают в химические реакции с образовавшимися кислотами, и получаются соли, которые придают стабильность масляной эмульсии и вызывают пенообразование в масле. Вспенивание масла может привести к закупорке маслоподводящих каналов, падению давления в двигателе и его поломке.
В емкости для хранения масла температура еще ниже, поэтому масло здесь не окисляется. Наоборот, существует вероятность его переохлаждения. Опасность представляет конденсация водяного пара, проникающего из картерных газов, и попадание в масло воды, особенно при неисправной или недостаточно эффективной вентиляции емкости. Вода ускоряет коррозию двигателя, повышает пенообразование и окисление масла, снижает его смазывающую способность.
Состояние «здоровья» двигателя
Цифровой сервис G-Lab — это мобильная лаборатория и искусственный интеллект. Он применим ко всем видам масел: моторным, гидравлическим, трансмиссионным, турбинным и другим. Технология работает с любыми видами машин: легковыми и грузовыми автомобилями, промышленной, сельскохозяйственной и горнодобывающей техникой, индустриальным оборудованием.
Портативная лаборатория состоит из инфракрасного спектрометра, рентгенофлуоресцентного спектрометра и вискозиметра (прибора для количественного измерения вязкости), которые помещаются в небольшой кейс. Лаборатория мобильна и часто ездит в командировки на предприятия с большими автопарками в удаленных областях: угольных карьерах, горно-обогатительных комбинатах, на нефтяных и газовых промыслах. Отбор пробы не требует остановки оборудования, весь процесс занимает около десяти минут.
Отобранные пробы масла помещаются в инфракрасный спектрометр, который определяет степень нитрации, окисления и сульфатации масла, содержание гликоля, воды и сажи, остаточный запас пакета присадок и щелочное число. Рентген-спектрометр измеряет содержание металлов износа и загрязнений, концентрацию элементов-индикаторов пакета присадок. Вискозиметр показывает, как изменилась вязкость масла, из этих данных делают вывод о наличии в масле воды или топлива.
Полученные результаты обрабатывает сервис G-Lab. С помощью искусственного интеллекта он оценивает данные о примесях в масле конкретного двигателя, сопоставляет их с базой данных, хранящей десятки тысяч сценариев о других машинах, их поломках и состоянии масла. На основе огромного массива информации сервис строит математическую модель с прогнозом износа анализируемого двигателя и смазочных материалов, строит наглядные графики.
Решение по ремонту техники после получения прогноза G-Lab принимает ее владелец, в зависимости от выявленной неисправности. Например, на ближайшем плановом техобслуживании нужно дополнительно проверить узлы, о проблемах в которых сообщил сервис. Если проблема в запчастях, которые можно заменить, не дожидаясь планового ремонта, например в форсунках, их меняют сразу после получения прогноза, и техника продолжает работу.
Станислав Дорошенко
Руководитель экспертной группы G-Lab
На одном из предприятий анализ масла в двигателе БЕЛАЗа выявил повышенное содержание меди, ремонт следовало проводить незамедлительно.
«Сервисная служба оперативно устранила проблему. После краткосрочного ремонта автомобиль продолжил работу, прогноз помог предотвратить поломку двигателя», — продолжает Станислав. В ближайшее время сервис G-Lab станет доступен для большего числа автолюбителей: в планах его использование на станциях технического обслуживания G-Energy Service. Любой автомобилист сможет получить прогноз работы двигателя и других узлов машины, в том числе во время ежегодного техобслуживания.
