§ 6.6. Противопенные и деэмульсионные свойства масел

При движении коленчатого вала и шатунов в картере двигателя и при воздействии на масло знакопеременных нагрузок (вибрации двигателя, движение по неровным дорогам, большое ускорение) в объем масла увлекаются газы, содержащиеся в картере (отработавшие газы, воздух, пары топлива). В результате в масле может оказаться до 25 % газа по объему. Насыщение газом масла называют аэрацией.

Газ в масле может находиться в следующих состояниях: в растворенном виде — в этом случае масло представляет собой гомогенную структуру и при неизменных условиях окружающей сре­ды наличие газа в масле практически не изменяет его физических свойств;

в виде газо-масляной дисперсии — мельчайшие пузырьки газа относительно равномерно распределены по всей массе масла;

в виде пены — на поверхности масла накапливается большое количество газа, заключенного в тончайшую масляную оболочку; образующаяся пенная «шапка» занимает большой объем при малом массовом содержании масла в пене.

Указанные три состояния газа в масле (раствор, дисперсия и пена) могут переходить друг в друга. В частности, под воздействием колебаний звуковых или сверхзвуковых частот, при снижении дав­ления и увеличении температуры газ выделяется из раствора в дисперсную фазу. Такой процесс протекает, например, при выходе масла из масляной магистрали в полость подшипника. При опреде­ленных условиях дисперсная фаза может переходить в раствор, пену и обратно. Особенно сильная аэрация имеет место при перегреве масла и при попадании в него моторного топлива (относительно низкокипящие фракции моторного топлива образуют большое количество газа).

Свойство масла образовывать пену характеризуется его вспениваемостью (пенообразованием). Аэрация является основной причиной вспенивания масла. Пенообразование в значительной степени зависит от конструктивных особенностей двигателя — типа и расположения маслосборника, масляного насоса, маслопроводов и пр., но основное влияние на образование пены оказывают свойства и качества масла.

Таблица 6.1

Пенообразование увеличивается при возрастании количества со­держащихся в масле смол (они играют роль поверхностно-активных веществ) и воды. Склонность масла к пенообразованию зависит от его вязкости. Это объясняется тем, что более вязкое масло стабилизирует пену. С увеличением плотности масла степень его аэрации возрастает (табл. 6.1).

Аэрация оказывает отрицательное влияние на состояние масла и условия его работы в двигателе. Аэрированное масло обладает худшими смазывающими способностями, меньшей химической стабильностью и повышенной коррозионной агрессивностью. Наличие дисперсной газомасляной эмульсии и пены обусловливает ускоренное окисление масла вследствие его нагрева при прохождении через масляный насос. При увеличении давления до 0,8 - 1,0 МПа тем­пература воздуха внутри пузырька при его сжатии может достигать 300 - 370°С, в результате чего происходит частичное термическое разложение масла.

При значительном изменении давления в слое масла с газомас­ляной дисперсией (как это имеет место, например, в подшипниках скольжения) и при соприкосновении пузырьков газа с относительно холодными поверхностями пузырьки могут «схлопываться» с образо­ванием ударной волны. Под действием ударной волны возникают локальные эрозионные разрушения поверхностей, это явление носит название кавитации (от лат. cavitas — пустота), а эрозионные раз­рушения поверхностей — кавитационных разрушений. Наиболее интенсивно кавитация развивается при воздействии колебаний зву­ковых или сверхзвуковых частот, а также в случае, если давление равно или меньше давления насыщенного пара жидкости (в этом, в частности, заключена опасность попадания жидкого топлива в мас­ло). При интенсивном пенообразовании возможно появление пены у заборного элемента маслосистемы двигателя и, как следствие этого, возникновение масляного голодания.

Для уменьшения вспениваемости масел в них вводят противопенные присадки. Практически во все моторные масла вводят противопенные присадки на основе кремнийорганических соединений (полисилоксановые жидкости). Механизм пеногасящего действия этих присадок заключается в том, что кремнийорганические соединения плохо растворяются в масле и располагаются на поверхности раздела масло-воздух в виде тончайшей пленки. Обладая большим повер­хностным натяжением, эти пленки ускоряют «схлопывание» пузырь­ков пены, успокаивают колебания масла в картере двигателя и препятствуют проникновению газа в масло (что одновременно спо­собствует уменьшению его окисления). К недостаткам противопенных присадок относится то, что они ухудшают адсорбцию масел к металлическим поверхностям, а продукт их сгорания — диоксид кремния SiO₂ — является абразивом. Противопенные присадки вводят в масло в небольших количествах — 0,001 —0,005 %.

При попадании воды в моторное масло образуется эмульсия, представляющая собой смесь мелких капель воды с маслом. Такие эмульсии ухудшают смазочные свойства масла и увеличивают его коррозионное воздействие. В присутствии воды на поверхности чу­гуна и алюминия может проходить интенсивная реакция кор­розионного типа. Выделяющийся при этом водород обусловливает дополнительный водородный износ и наводороживание деталей, приводящее к ускоренному разрушению узла трения.

Количество воды, находящейся в виде эмульсии в масле, можно определить по изменению диэлектрической проницаемости эмульсии (диэлькометрический метод определения влажности).

С термодинамической точки зрения эмульсии неустойчивы и рас­слаиваются — вода выделяется в отдельную фазу. Такой процесс называют деэмульсированием. Скорость деэмульсирования зависит от вязкости масла.

Способность масла восстанавливаться из эмульсии определяется числом деэмульсации — величиной промежутка времени (в секундах), в течение которого из полученной в определенных условиях водомасляной эмульсии выделяется заданное количество масла. Для уменьшения количества образующейся эмульсии и ускорения ее рас­слоения в моторные масла вводят специальные вещества — деэмуль­саторы.