А. Н. КартАшевич в. С. товСтыка а в. ГордееНКо топливо, СмАзочНые мАтериАлы
 Скачать 2.39 Mb.
|
Свойства масел и методы их оценкиМоюще-диспергирующие свойства характеризуют способ- ность масла обеспечивать необходимую чистоту деталей двигателя, поддерживать продукты окисления и загрязнения во взвешенном состоянии. Чем выше моюще-диспергирующие свойства масла, тем больше нерастворимых веществ — продуктов старения — может удерживаться в работающем масле без выпадения в осадок, тем меньше лакообразных отложений и нагаров образуется на горячих деталях, тем выше может быть допустимая температура деталей (степень форсирования двигателя). Кроме концентрации моюще- диспергирующих присадок на чистоту двигателя существенно влияет эффективность используемых присадок, их правильное со- четание с другими компонентами композиции, а также приеми- стость базового масла. В композициях моторных масел в качестве моющих присадок используют сульфонаты, алкилфеноляты, ал- килсалицилаты и фосфонаты кальция или магния и реже (по эко- логическим соображениям) — бария, а также рациональные соче- тания этих зольных присадок друг с другом и с беззольными дисперсантами-присадками, снижающими, главным образом, склонность масла к образованию низкотемпературных отложений и скорость загрязнения фильтров тонкой очистки масла. Модифи- цированные термостойкие беззольные дисперсанты способствуют и уменьшению лако- и нагарообразования на поршнях (рис. 3.4).  Рис. 3.4. Поршни дизеля с наддувом после равного времени испытания масла с недостаточными (а) и вполне удовлетворительными (б) моюще- диспергирующими свойствами Механизм действия моющих присадок объясняют их адсорб- цией на поверхности нерастворимых в масле частиц. В результате на каждой частице образуется оболочка из обращенных в объем масла углеводородных радикалов. Она препятствует коагуляции частиц загрязнений, их соприкосновению друг с другом. Поляр- ные молекулы присадок образуют двойной электрический слой, придающий одноименные заряды частицам, на которых они адсор- бировались. Благодаря этому частицы отталкиваются и вероят- ность их объединения в крупные агрегаты уменьшается. При рабо- те двигателей на топливах с повышенным содержанием серы моющие присадки, придающие маслу щелочность, препятствуют образованию отложений на деталях двигателей также и путем ней- трализации кислот, образующихся из продуктов сгорания топлива. Металлсодержащие моющие присадки повышают зольность масла, что может привести к образованию зольных отложений в камере сгорания, замыканию электродов свечей зажигания, пре- ждевременному воспламенению рабочей смеси, прогару выпуск- ных клапанов, снижению детонационной стойкости топлива, абра- зивному изнашиванию. Поэтому сульфатную зольность моторных масел ограничивают верхним пределом. Ее допустимое значение зависит от типа и конструкции двигателя, расхода масла на угар, условий эксплуатации, в частности от вида применяемого топли- ва. Наименее зольные масла необходимы для смазывания двух- тактных бензиновых двигателей и двигателей, работающих на газе. Наибольшую зольность имеют высокощелочные цилиндро- вые масла. Моющие свойства моторных масел в лабораторных условиях определяют на модельной установке ПЗВ, представляющей собой малоразмерный одноцилиндровый двигатель с электроприводом и электронагревателями. Стендовые моторные испытания для оценки моющих свойств проводят либо в полноразмерных двига- телях, либо в одноцилиндровых моторных установках по стан- дартным методикам. Критериями оценки моющих свойств служит чистота поршня, масляных фильтров, роторов центрифуг, подвиж- ность поршневых колец. Диспергирующие свойства масел оцени- вают в баллах от 0 до 6. Образование лаковых отложений на дета- лях двигателя, работающего на маслах с моющими присадками, уменьшается в 3–6 раз, т.е. с 3...4,5 до 0,5...1,5 балла. Антиокислительные свойства в значительной степени опреде- ляют стойкость масла к старению. Условия работы моторных масел в двигателях настолько жестки, что предотвратить их окис- ление полностью не представляется возможным. Соответствую- щей очисткой базовых масел от нежелательных соединений, при- сутствующих в сырье, использованием синтетических базовых компонентов, а также введением эффективных антиокислитель- ных присадок можно значительно затормозить процессы окисле- ния масла, которые приводят к росту его вязкости и коррозион- ности, склонности к образованию отложений, загрязнению масляных фильтров и другим неблагоприятным последствиям (за- труднение холодного пуска, ухудшение прокачиваемости масла). Окисление масла в двигателе наиболее интенсивно происходит в тонких пленках масла на поверхностях деталей, нагревающихся до высокой температуры и соприкасающихся с горячими газами (поршень, цилиндр, поршневые кольца, направляющие и стебли клапанов). В объеме масло окисляется менее интенсивно, так как в поддоне картера, радиаторе, маслопроводах температура ниже и поверхность контакта масла с окисляющей газовой средой мень- ше. Во внутренних полостях двигателя, заполненных масляным туманом, окисление более интенсивно. На скорость и глубину окислительных процессов значительно влияют попадающие в мас- ло продукты неполного сгорания топлива. Они проникают в масло вместе с газами, прорывающимися из надпоршневого простран- ства в картер. Ускоряют окисление масла частицы металлов и за- грязнений неорганического происхождения, которые накаплива- ются в масле в результате изнашивания деталей двигателя, недостаточной очистки всасываемого воздуха, нейтрализации присадками неорганических кислот, а также металлорганические соединения меди, железа и других металлов, образующиеся в ре- зультате коррозии деталей двигателя или взаимодействия частиц изношенного металла с органическими кислотами. Все эти веще- ства — катализаторы окисления. Стойкость моторных масел к окислению повышают введением в их состав антиокислительных присадок. Наилучший антиокис- лительный эффект достигается при введении в масло присадок, обладающих различным механизмом действия. В качестве анти- окислительных присадок к моторным маслам применяют диал- кил- и диарилдитиофосфаты цинка, которые улучшают также ан- тикоррозионные и противоизносные свойства. Их часто комбини- руют друг с другом и с беззольными антиокислителями. К числу последних относят пространственно затрудненные фенолы, арома- тические амины, беззольные дитиофосфаты и др. Довольно энер- гичными антиокислителями являются некоторые моюще-диспер- гирующие присадки, в частности алкилсалицилатные и алкилфе- нольные. При длительной работе масла в двигателе интенсивный рост вязкости, обусловленный окислением, начинается после практически полного истощения антиокислительных присадок. В стандартах и технических условиях на моторные масла их стой- кость к окислению косвенно характеризуется индукционным пе- риодом осадкообразования (окисление по ГОСТ 11063–77 при 200 С). При моторных испытаниях антиокислительные свойства масел оценивают по увеличению их вязкости за время работы в двигателе установки ИКМ (ГОСТ 20457–75) или Petter W-1. Противоизносные свойства моторного масла зависят от хими- ческого состава и полярности базового масла, состава композиции присадок и вязкостно-температурной характеристики масла с при- садками, которая в основном предопределяет температурные пре- делы его применимости (защита деталей от износа при пуске дви- гателя, при максимальных нагрузках и температурах окружающей среды). Особенно важны эффективная вязкость масла при темпе- ратуре 130...180 С и градиенте скорости сдвига 105...107 с–1, зави- симость вязкости от давления, свойства граничных слоев и спо- собность химически модифицировать поверхностные слои сопря- женных трущихся деталей. При работе на топливах с повышенным или высоким содержа- нием серы, а также в условиях, способствующих образованию азотной кислоты из продуктов сгорания (газовые двигатели, дизе- ли с высоким наддувом), важнейшей характеристикой способно- сти масла предотвращать коррозионный износ поршневых колец и цилиндров является его нейтрализующая способность, показате- лем которой в нормативной документации служит щелочное чис- ло. Различные узлы и детали двигателей смазываются обычно од- ним маслом, а условия трения, изнашивания и режим смазки су- щественно различны. Подшипники коленчатого вала, поршневые кольца в сопряжении с цилиндром работают преимущественно в условиях гидродинамической смазки. Зубчатые колеса привода агрегатов, масляных насосов и детали механизма привода клапа- нов работают в условиях эластогидродинамической смазки. Вбли- зи мертвых точек жидкостное трение поршневых колец по стенке цилиндра переходит в граничное. Множественность факторов, влияющих на износ деталей дви- гателей, принципиальные различия режимов трения и изнашива- ния узлов затрудняют оптимизацию противоизносных свойств моторных масел. Придание маслу достаточной нейтрализующей способности и введение в его состав дитиофосфатов цинка часто оказывается достаточным для предотвращения коррозионно- механического изнашивания и модифицирования поверхностей деталей, тяжело нагруженных сопряжений во избежание задиров или усталостного выкрашивания. Однако тенденция к примене- нию маловязких масел для достижения экономии топлива и огра- ничение поступления масла к верхней части цилиндра для умень- шения расхода на угар требуют улучшения противоизносных свойств масел при граничной смазке. Это достигается введением специальных противоизносных присадок, содержащих серу, фос- фор, галогены, бор, а также введением беззольных дисперсантов, содержащих противоизносные фрагменты. Большое влияние на износ оказывает присутствие в масле абразивных загрязнений. Их наличие в свежем масле не допуска- ется, а масло, работающее в двигателе, должно подвергаться очист- ке в фильтрах, центрифугах, сепараторах. Уменьшению вредного действия абразивных частиц способствуют высокие диспергирую- щие свойства масла. Трибологические характеристики, определяемые на четырехша- риковой машине трения (ЧШМ) по ГОСТ 9490–75, нормированы стандартами и техническими условиями на многие моторные масла для контроля процесса производства. Однако непосредственную связь между оценкой противоизносных и противозадирных свойств на машине трения и фактическими противоизносными свойствами моторных масел в реальных условиях применения установить не всегда возможно. При моторных испытаниях противоизносные свойства масел оценивают по потере массы поршневых колец, за- диру или питтингу кулачков и толкателей, линейному износу этих деталей и цилиндров, состоянию поверхностей трения. Антикоррозионные свойства моторных масел зависят от со- става базовых компонентов, концентрации и эффективности анти- коррозионных, антиокислительных присадок и деактиваторов ме- таллов. В процессе старения коррозионность моторных масел возрастает. К повышению коррозионности более склонны масла из малосернистых нефтей с высоким содержанием парафиновых углеводородов, образующих в процессе окисления агрессивные органические кислоты, которые взаимодействуют с цветными ме- таллами и их сплавами. Антикоррозионные присадки защищают антифрикционные материалы (свинцовистую бронзу), образуя на их поверхности прочную защитную пленку. Антиокислители пре- пятствуют образованию агрессивных кислот. Иногда необходимо вводить в моторные масла присадки-деактиваторы, образующие хелатные соединения с медью, предохраняющие поверхность от коррозионного разрушения. Антикоррозионные присадки типа дитиофосфатов цинка, применяемые в большинстве моторных ма- сел, не защищают от коррозии сплавы на основе серебра и фосфо- ристые бронзы, а при высокой температуре активно способствуют их коррозии. В двигателях, в которых используют такие анти- фрикционные материалы, необходимо использовать специальные масла, не содержащие дитиофосфатов цинка. В лабораторных условиях антикоррозионные свойства мотор- ных масел оценивают по методу СТБ ИСО 2160–2003 по потере массы медных пластин за 10 или 25 ч испытания при температуре 140 С. При моторных испытаниях антикоррозионные свойства масел оценивают по потере массы вкладышей шатунных подшип- ников полноразмерных двигателей или одноцилиндровых устано- вок ИКМ или Petter W-1, а также по состоянию их поверхностей трения (цвет, натиры, следы коррозии). Вязкостно-температурные свойства — одна из важнейших ха- рактеристик моторного масла. От этих свойств зависит диапазон температуры окружающей среды, в котором данное масло обеспе- чивает пуск двигателя без предварительного подогрева, беспрепят- ственное прокачивание масла насосом по смазочной системе, на- дежное смазывание и охлаждение деталей двигателя при наибольших допустимых нагрузках и температуре окружающей среды. Даже в умеренных климатических условиях диапазон из- менения температуры масла от холодного пуска зимой до макси- мального прогрева в подшипниках коленчатого вала или в зоне поршневых колец составляет до 180...190 С. Вязкость минераль- ных масел в интервале температур от –30 до 150 С изменяется в тысячи раз. Летние масла, имеющие достаточную вязкость при высокой температуре, обеспечивают пуск двигателя при темпера- туре окружающей среды около 0 С. Зимние масла, обеспечиваю- щие холодный пуск при отрицательных температурах, имеют не- достаточную вязкость при высокой температуре. Таким образом, сезонные масла независимо от их наработки (пробега автомобиля) необходимо менять дважды в год. Это усложняет и удорожает эксплуатацию двигателей. Проблема ре- шена созданием всесезонных масел, загущенных полимерными присадками (полиметакрилаты, сополимеры олефинов, полиизо- бутилены, гидрированные сополимеры стирола с диенами и др.). Вязкостно-температурные свойства загущенных масел таковы, что при отрицательных температурах они подобны зимним, а в области высоких температур — летним. Вязкостные присадки относительно мало повышают вязкость базового масла при низкой температуре, но значительно увеличивают ее при высокой температуре, что обу- словлено увеличением объема макрополимерных молекул с повы- шением температуры и рядом иных эффектов. В отличие от сезон- ных загущенные всесезонные масла изменяют вязкость под влиянием не только температуры, но и скорости сдвига, причем это изменение временное. С уменьшением скорости относительного перемещения смазываемых деталей вязкость возрастает, а с увели- чением — снижается. Этот эффект больше проявляется при низ- кой температуре, но сохраняется и при высокой, что имеет два по- зитивных следствия: снижение вязкости в начале проворачивания холодного двигателя стартером облегчает пуск, а небольшое сни- жение вязкости масла в зазорах между поверхностями трения де- талей прогретого двигателя уменьшает потери энергии на трение и дает экономию топлива. Характеристиками вязкостно-температурных свойств служат: кинематическая вязкость, определяемая в капиллярных ви- скозиметрах; динамическая вязкость, измеряемая при различных гради- ентах скорости сдвига в ротационных вискозиметрах; индекс вязкости — безразмерный показатель пологости вязкостно-температурной зависимости, рассчитываемый по значе- ниям кинематической вязкости масла, измеренной при 40 и 100 С (ГОСТ 25371–82). Под вязкостьюпонимают объемное свойство масла оказывать сопротивление при относительном перемещении его слоев. Для характеристики моторного масла наиболее широко применяются динамическая (Па · с) и кинематическая (мм2/с) вязкость. За единицу динамической вязкости принимают вязкость, при кото- рой для относительного перемещения со скоростью 1 м/с двух слоев жидкости площадью 1 м2, находящихся на расстоянии 1 м по нормали к направлению скорости, необходимо приложить уси- лие в 1 Н. Кинематическая и динамическая вязкость связаны между со- бой выражением , (3.3) где — плотность масла. По вязкости моторные масла подразделяются на маловязкие (3...4 мм2/с при 100 С), средневязкие (4...6 мм2/с при 100 С) и вязкие (8...9 мм2/с при 100 С и выше). Вязкость моторного мас- ла определяет толщину масляной пленки на поверхностях трения и, следовательно, износ деталей двигателя внутреннего сгорания, его прокачиваемость при низких температурах и надежность сма- зывания при высоких температурах, а также потери на трение и расход топлива. На вязкость моторного масла наиболее существенное влияние оказывает температура, и значительно меньше она изменяется под действием давления, электрических и магнитных полей и ряда других факторов. Например, в интервале температур от –18 до 100 С вязкость загущенных моторных масел изменяется в 280–600 раз, у незагущенных минеральных масел изменение вяз- кости происходит в 1200 и более раз. При повышении давления от атмосферного до 60 МПа вязкость масла увеличивается в 2,5–3,5 ра- за. Известно также влияние на вязкость масла трибоэлектрических полей, образующихся в результате возникновения разности потен- циалов на границе раздела фаз металл — масло и вызывающих электро-вязкостный эффект, проявляющийся в увеличении вязко- сти масла. Одним из важнейших показателей качества моторного масла является зависимость его вязкости от температуры, определяемая пологостью вязкостно-температурной характеристики (ВТХ). Для оценки пологости ВТХ в интервале температур 50...100 С исполь- зуют отношение 50/100. Чем меньше значение данного отноше- ния, тем лучше ВТХ в данном температурном интервале. Для лет- них сортов масел для зимних и северных 50/100 6, 50/100 4. Пологость ВТХ в области более низких температур определя- ется температурным коэффициентом вязкости ТКВ: ТКВ0–100 0 100 , 50 (3.4) где 0, 50 и 100 — кинематическая вязкость масла при 0, 50 и 100 С. Значения ТКВ0–100 не превосходят: 35...40 — для летних масел; 22 — для зимних; 25 — для всесезонных. Наибольшее распространение для оценки пологости ВТХ по- лучил метод определения индекса вязкости (ИВ). Расчет величины ИВ (ГОСТ 25371–97 «Нефтепродукты. Рас- чет индекса вязкости по кинематической вязкости») основан на сравнении свойств испытуемого масла с двумя эталонными масла- ми, одно из которых имеет ИВ 0, другое — ИВ 100. ИВ масла может быть определен расчетным методом по следующей зависи- мости (для масел с ИВ 100): ИВ LU100, (3.5) L H где L — кинематическая вязкость при 40 С масла с ИВ 0, мм2/с; U— кинематическая вязкость испытуемого масла при 40 С, мм2/с; H — кинематическая вязкость при 40 С масла с ИВ 100, мм2/с, причем вязкость проверяемого и эталонных масел при 100 С оди- накова. Для масел с ИВ 100 используется выражение , ИВ antilogN1 100, (3.6) 0 00715 где N (log H— log U) / log 100. На практике для определения ИВ чаще всего используют спе- циальные таблицы или номограммы (рис. 3.5).     Рис. 3.5. Номограмма для определения индекса вязкости моторного масла По величине ИВ моторные масла подразделяются на низкоин- дексные (ИВ 80), среднеиндексные (80...90) и высокоиндексные (90...95 и выше). Для изготовления современных высококаче- ственных масел применяют также базовые масла со сверхвысоким индексом вязкости (ИВ 100), представляющие собой продукты глубокой переработки нефти. Однако ИВ характеризует вязкост- ные свойства моторных масел только в области положительных температур, поэтому для зимних марок масел дополнительно ука- зывают вязкость при температурах –18 С и ниже. В нормативной документации на зимние масла иногда норми- руют кинематическую вязкость при низких температурах. ИВ для минеральных масел без вязкостных присадок составляет 85…100. Он зависит от углеводородного состава и глубины очистки масля- ных фракций. Углубление очистки повышает индекс вязкости, но снижает выход рафината. Синтетические базовые компоненты имеют ИВ, равный 120...150, что дает возможность получать на их основе всесезонные масла с очень широким температурным диапа- зоном работоспособности. Температура_застывания.'>Температура застывания. Низкотемпературные свойства мас- ла, его прокачиваемость при отрицательных температурах харак- теризуются температурой застывания, при которой масло не течет под действием силы тяжести, т.е. теряет текучесть. Она должна быть на 5...7 С ниже той температуры, при которой масло долж- но обеспечивать прокачиваемость. Температурой застывания счи- тают температуру, при которой масло в пробирке, наклоненной под углом 45, в течение 1 мин не изменяет своего положения. В большинстве случаев застывание моторных масел обуслов- лено образованием в объеме охлаждаемого масла кристаллов па- рафинов. Требуемая нормативной документацией температура за- стывания достигается депарафинизацией базовых компонентов и/или введением в состав моторного масла депрессорных приса- док (полиметакрилаты, алкилнафталины и др.). Понижая темпе- ратуру застывания масла, депрессаторы не влияют на вязкостные свойства. Температура застывания отечественных зимних сортов минеральных масел обычно не выше –25...–30 С. Полусинтетиче- ские и синтетические моторные масла имеют температуру засты- вания –35...–50 С и ниже. Температура вспышки (ГОСТ 12.1.004–85 «Требования пожар- ной безопасности при хранении нефтепродуктов») характеризует наличие в масле легкокипящих фракций и топлива и определяет испаряемость и расход масла, его взрывобезопасность и вредное воздействие на окружающую среду. Значение температуры вспыш- ки минеральных масел обычно составляет 200...225 С, синтетиче- ских — 230...240 С и выше. Для работавших масел предельное значение температуры вспышки равно в среднем 170...180 С. Коксуемость. Склонность масла к образованию нагара и лако- вых отложений на деталях ДВС характеризуется коксуемостью масла. Коксуемость моторных масел определяется массой коксо- вого остатка, полученного при прокаливании навески масла без доступа воздуха, и выражается в процентах от массы навески. Вво- димые в базовое масло присадки повышают его коксуемость. Щелочное число. Важнейшей характеристикой способности масла предотвращать коррозионный износ деталей двигателя яв- ляется его нейтрализующая способность, показателем которой служит щелочное число. Щелочное число моторного масла опре- деляется как количество KОН (мг), эквивалентное количеству со- ляной кислоты, необходимой для нейтрализации всех основных соединений, содержащихся в 1 г анализируемого масла. Масла группы Г2, применяемые для автотракторных дизелей, имеют ще- лочное число не менее 6...7,5 мг KОН/г. Кроме вышеперечисленных находят применение и такие по- казатели качества моторного масла, как термоокислительная ста- бильность, кислотное число, моющие свойства, коррозионность, зольность, стабильность по индукционному периоду осадкообра- зования, содержание активных элементов присадок, механических примесей и воды, и другие, определяемые по специальным мето- дикам. |