Особенности эксплуатационных свойств моторных масел

В настоящее время основными направлениями двигателестроения являются: увеличение мощности, повышение экономичности и надёжности, улучшение пусковых свойств и уменьшение массы и габаритов. Для обеспечения работы постоянно модернизируемых двигателей необходимы высококачественные моторные масла. Состояние и перспективы применения моторных масел могут быть рассмотрены на основе их эксплуатационных свойств.

Вязкостно-температурные свойства являются основными, определя­ющими лёгкость пуска холодного двигателя и его минимальный износ при выходе на рабочий режим. Вязкость масла при прогреве двигателя от температуры минус 18 °С до 100 °С может изменяться более, чем в 1000 раз (всесезонное масло с вязкостью 6з/10). Кроме того, при запуске двигателя в зимних условиях в первые минуты масло практически не поступает к главной паре трения – поршень-цилиндр. Так, в двигателе Д-75 зимой (минус 20 ^оС) масло с вязкостью при 100 ^оС равной 8 сСт в главной масляной магистрали появляется через 60 с, а с вязкостью 10 сСт – через 81 с после пуска. Это вызывает интенсивный износ, по некоторым источникам, равный износу при пробеге до 600 км. Для обеспечения минимального износа деталей двигателя лучше использовать масла большей вязкости. Однако такое увеличение, особенно для двигателей, не прогретых до рабочей температуры, кроме износа, вызывает ухудшение топливно-экономических показателей. Снижается прокачиваемость масел, а чем ниже прокачиваемость, тем выше износ и ниже надёжность работы двигателя. И всё-таки, при прогретом двигателе, износ двигателей тем меньше, чем выше вязкость масла ( рис. 2.1).

Рис. 2.1. Зависимость износа поршневых колец автомобильного карбюраторного двигателя от вязкости масла

Следовательно, оптимальным является вариант, когда масло перед пуском двигателя прогревают до рабочей температуры.

Для оптимизации температурно-вязкостных свойств моторных масел применяют высококачественные загущающие присадки, дающие отличные результаты: при пуске двигателя ЯМЗ-238 при температуре минус 30 ^оС время до поступления загущенного масла 5 з/10 в нижнюю часть цилиндра такое же, как при 0^оС на незагущенном масле с вязкостью 8 сСт при 100 ^оС.

Для определения индекса вязкости используют различные методы. Расчётный предполагает сравнение с эталонными маслами и требует справочных таблиц. Гораздо проще определить индекс вязкости по номограмме (рис. 2.2). Для этого необходимо определить вязкость исследуемого масла при 50 ºC и 100 ºC, затем восстановить перпендикуляры и определить на какую линию приходится точка пересечения. Около каждой линии указан индекс вязкости.

Рис. 2.2. Номограмма для определения индекса вязкости

Загущенные моторные масла имеют достаточный уровень вязкости при рабочих температурах и низкую вязкость при отрицательных температурах пуска. Индекс вязкости загущенных моторных масел находится в пределах 115–140 против 80–90 у незагущенных. Кроме того, при высоких скоростях сдвига загущенные масла способны снижать вязкость, приближаясь к уровню нефтяной основы. Это благоприятно влияет на экономические характеристики двигателя (табл. 2.1).

Повышение экономических характеристик двигателя достигается облегчённым пуском, быстрым прогревом, снижением механических потерь и повышением мощности до 7%.

Таблица 2.1

Снижение расхода топлива при использовании загущенного масла

(автомобиль Урал - 375)

В качестве загущающих присадок для моторных масел используют присадку ИХП-234 (полиизобутилен – сульфонат кальция), получаемую сульфатированием полиизобутилена КП-10 с последующей нейтрализацией кислот гидроокисью кальция. Это наиболее эффективная присадка, применяют и другие. Работы по созданию новых присадок ведутся постоянно. Это связано прежде всего с тем, что высокий температурный режим современных двигателей может вызвать термическую или механическую деструкцию (разрушение) вязкостных присадок, в результате чего произойдёт необратимое падение величины вязкости масла со всеми вытекающими последствиями. Кроме того, загущающие полимеры снижают эффективность некоторых моющих присадок, подавляя их функциональные группы.

Моюще-диспергирующие свойства, показывающие склонность к отложениям во многом определяют возможность применения моторных масел на тех или иных двигателях.

Рассмотренный в предыдущей главе механизм лакообразования обуславливает состав моторных масел, введение в них соответствующих присадок, которые должны препятствовать протеканию химических процессов уплотнения молекул, процессов адсорбции и коагуляции. Присадки, предупреждающие процессы образования лаковой плёнки, называют моющими.

Абсолютное большинство используемых в настоящее время моторных масел содержит в своём составе моющие присадки зольного типа – сульфонатные (СБ-3, ПМС-А), алкилфенольные (БФКу, ВНИИ НП-370) и другие. Многие из них проявляют высокий моющий эффект:

– удерживают тяжёлые продукты окисления во взвешенном состоянии;

– переводят нерастворимые в масле продукты окисления в коллоидный раствор;

– препятствуют адсорбции продуктов окисления на нагретых металлах благодаря образованию на них поверхностно-активных слоёв – проявляют экранирующий эффект.

При попадании масла с моющими присадками в камеру сгорания образуются абразивные частицы, основой которых являются продукты окисления присадок, содержащих в своём составе металлы.

В настоящее время ведутся работы по созданию моторных масел с беззольными диспергирующими присадками. Примером таких присадок являются сукцинимидные продукты (дипол-45, ЛЗ-325, С-5А), отличающиеся между собой количеством аминогрупп, длиной и разветвленностью алифатических цепей.

Сукцинимиды не только не образуют абразивные частицы, но и по эффективности диспергирующего действия превосходят многие зольные присадки. Недостаток – невысокая термическая стабильность: при температурах выше 280 ºC (в зоне верхнего поршневого кольца) они разрушаются.

Нагарообразование в основном определяется составом и концентрацией присадок. Так, присутствие серы в составе присадок повышает твёрдость отложений настолько, что они могут стать абразивными продуктами. Наличие металлов по действию аналогично, но вклад их в увеличение количества, повышение прочности и плотности нагаров более значителен. В связи с этим при введении в масла присадок различного назначения следует учитывать их влияние на образование нагаров.

Нагарообразующую способность масел характеризуют коксуемостью, количеством нагара, образующегося в стандартных условиях, зольностью. Суть методов определения коксуемости сводится к нагреву до высокой температуры навески масла и определению количества образующегося кокса. Зольность определяют прокаливанием в муфельной печи навески масла.

Низкотемпературные отложения (осадки) зависят от содержания в масле механических примесей и воды. На треть они состоят из образующейся в картере или попадающей туда воды. Однако значительное влияние на осадкообразование оказывает и качество топлива. Несгоревшее топливо и продукты его горения, попадая в масло, снижают вязкость и ухудшают диспергирующую способность последнего. Значительный вклад в образование осадков вносят окислы свинца при применении этилированных бензинов. В дизелях масла загрязняются попаданием в них углистых частиц и большим количеством сернистых соединений. Окислы азота, оказывая сильное каталитическое действие на ускорения реакций окисления и уплотнение углеводородов также способствуют образованию отложений. Непосредственно склонность моторных масел к осадкообразованию не определяют, косвенно – по оценке химической и физической стабильности.

Довольно эффективным методом по борьбе с нагаром является движение в течение нескольких часов с повышенной скоростью и нагрузками. Такой режим работы двигателя способствует расслоению и удалению нагара из камеры сгорания.

Расклинивающие и полирующие свойства масел в значительной мере определяют антифрикционные и противоизносные свойства моторных масел, применяемых на современных двигателях внутреннего сгорания.

Антифрикционные и противоизносные действия в условиях двигателя, так же, как в общем случае, проявляют адсорбированные на поверхности металла слои молекул масла и модифицированные слои поверхности металла, образующиеся в результате его химического взаимодействия с активными молекулами масла. Особенности проявления антифрикционных и противо-износных свойств связаны со специфичностью работы двигателя, отдельных его узлов, для которых характерны переменные нагрузки, скорости и температуры. В этих условиях особое значение приобретают скорости процессов разрушения и формирования смазочных слоёв. Так, медленная многостадийная десорбция молекул масла при повышении температуры является благоприятной, так как в результате этого обеспечивается смазка многих участков трения.

Антикоррозионные свойства моторных масел обеспечиваются введением высокоэффективных антиокислительных присадок. Это вызвано тем, что масло находится в виде тонкой плёнки, особенно в высокотемпературной зоне, а также в виде масляного тумана. Для предотвращения ускоренных в таких условиях химических реакций и применяют присадки. Это препятствует образованию химически активных соединений, вызывающих коррозию. Учитывается также и действие аналогичных соединений, образующихся в результате воздействия топлива и продуктов его горения.

Химическая стабильность моторных масел предопределяет продолжи-тельность их работы. Пока сроки смены устанавливают по километражу пробега (количеству моточасов работы двигателя). Более рационально производить смену масел по их фактическому состоянию. Это вызвано различными условиями работы двигателей на транспортных, специальных машинах или в стационарных условиях. В общем виде качество моторных масел определяют по вырабатыванию присадок, изменению вязкости, обводнению и загрязнению.

Химическая стабильность моторных масел обеспечивается их составом и введением присадок. Увеличивается стабильность повышение содержания ароматических и циклановых углеводородов, особенно конденсированных. Широко применяют присадки. Присадки, проявляющие только антиокисли-тельный эффект (МБ-1, НГ-2246 и другие), в настоящее время применяют редко. Обычно используют многофункциональные присадки МНИИ ИП-22К, ВНИИ НП-360, ДФ-11 и другие, улучшающие несколько свойств масла.

Физическая стабильность моторных масел имеет большое значение, так как во многих случаях определяет возможность их применения. Наиболее важны такие показатели, как вспениваемость и испаряемость. Пена неизбежно образуется в двигателе, где много быстро вращающихся и перемещающихся деталей. Присадки должны уменьшать прочность оболочки пузырьков и разрушать их. Антипенные присадки плохо растворяются в маслах и имеют малое поверхностное натяжение. Концентрируясь на границе раздела фаз, они предупреждают образование пузырьков газа и способствуют исчезновению появившихся. Испаряемость является определяющим показателем расхода масла. Чтобы сократить испарение моторных масел, при их производстве используют базовые масла узкого фракционного состава. Так, температуры выкипания моторных масел среднего значения вязкости (8–10 сСт при 100 ºC) составляют 410…480 ºC. Кроме того, при увеличении испаряемости, повышается лакообразование на деталях. Поэтому маловязкие нефтяные фракции, используемые для получения загущенных масел, имеют меньший диапазон выкипания – 370…410 ºC.

При рассмотрении защитных свойств масел особое внимание обратим на консервационные свойства. Много индивидуального транспорта, а также большая часть промышленного используется периодически. Скорость коррозии при хранении машин и механизмов в значительной степени связана с возможностью попадания в двигатель воды, создающей предпосылки к электрохимической коррозии. Неблагоприятна и кратковременная эксплуатация техники. Этот вопрос рассмотрен в предыдущей главе.

Моторные масла обладают плохими защитными свойствами, так как не в состоянии преградить доступ к металлическим поверхностям влаги и кислорода воздуха, а также других агрессивных продуктов окружающей среды. Для улучшения защитных свойств в моторные масла вводят присадки. Прежде всего для защиты чёрных металлов – АКОР-1, концентрат КП, ИНГА-1 и другие. Лучшими свойствами их них обладает присадка ИНГА-1 (нитрооксиалкил-сукцинимид мочевины). Она обладает хорошими защитными свойствами и является термостабильной – до 300 ºC против 180 ºC у АКОР-1 и КП.

Защитными свойствами обладают некоторые многофункциональные присадки. Наиболее активно защищают детали от коррозии сульфонаты магния и сверхщелочные сульфонаты кальция, менее эффективно – низкощелочные сульфонаты кальция и бария, сукцинимиды.

Присадки, применяемые для улучшения качества моторных масел в обобщённом виде представлены в табл. 2.2, 2.3.

Таблица 2.2