§ 7.4. Старение, угар и смена моторных масел

При работе двигателя происходят качественные и количественные изменения моторного масла. Качественные изменения обусловлены физическими и химическими прицепами, протекающими в двигате­ле, и определяются общим понятием «старение масла». Количественные изменения сводятся к уменьшению запаса масла в маслосистеме и определяются понятием «угар масла». В результате ста­рения в определенный период времени качественные показатели масла выходят за пределы допусков и возникает необходимость в полной замене масла в маслосистеме. В результате угара возникает необходимость долина масла в маслосистему.

Старение масла представляет собой сложный многофункциональ­ный и многостадийный процесс физических и химических превра­щений, происходящих вследствие двух основных причин: внутренних — обусловливаемых нарушением стабильности масла (испарение, окисление, полимеризация, разложение углеводородов базового мас­ла, срабатывание присадок) и внешних — обусловливаемых загряз­нением масла механическими примесями, водой, топливом и продуктами его сгорания.

Окисление масла протекает неравномерно по времени. В свеже-залитом масле накопление продуктов старения протекает наиболее быстро и называется динамическим окислением. Это объясняется интенсивным окислением самых неустойчивых компонентов масла. Затем старение постепенно замедляется и стабилизируется на опре­деленном уровне и называется стабилизацией старения. Причиной стабилизации старения является то, что в результате окисления масла и последующей полимеризации окислившихся продуктов обра­зуются некоторые вещества, являющиеся замедлителями процесса окисления. Кроме того, на трущихся поверхностях образуются ад­сорбированные пленки из продуктов окисления масла, уменьшающие каталитическое воздействие металла на окисление.

Совокупность этих явлений приводит к тому, что масло ста­новится более стойким к окислению (рис. 7.5 — 7.8). Соответственно различают две стадии старения масла — неустановившуюся и стабилизированную.

В результате старения базового масла возрастают его вязкость и кислотность, частично компенсируемые адсорбцией кислородсодер­жащих органических соединений на нерастворимых в масле примесях

с последующим отделением образовавшихся компонентов в масляных фильтрах.

По мере старения масла происходит «срабатывание» содер­жащихся в нем присадок. Под этим термином понимают уменьшение содержания присадок в масле и потерю их работоспособности в результате разложения, взаимодействия с продуктами окисления мас­ла и сгорания топлива. Скорость срабатывания присадок зависит от степени форсирования двигателя и условий его работы, качества топлива (в первую очередь от содержания в нем серы) и моторного масла, а также качества самих присадок. При прочих равных ус­ловиях на скорость срабатывания влияет нейтрализация щелочных присадок продуктами, образующимися при окислении масла и при сгорании сернистого топлива, расход присадок на образование хемо-сорбированных слоев на поверхности металла (для противоизносных и противозадирных присадок), коагуляция присадок на механических примесях с частичным отложением их в системах фильтрации, вы­падение присадок в осадок и их механическая деструкция. Продукты окисления масла (например, смолы) обладают поверхностно-активными свойствами и могут связывать молекулы присадок в стабильные соединения. В результате снижается эффективность присадок и они могут выпадать в осадок (в этом заключается одна из причин повышения эффективности присадок при улучшении очистки масла). Такую же роль играет вода. Помимо этот вода обусловливает разрушение некоторых присадок вследствие гидролиза. Повышенная температура масла способствует разрушению присадок. При пониженной температуре и при эксплуатация непрогретого двигателя усиливается агрегатирование присадок, ведущее к нару­шению коллоидной стабильности раствора с выделением присадок из масла (это явление усиливается при налимий воды).

Н а рис. 7.9 приведен график, иллюстрирующий изменение со­держания в масле многофун­кциональной (антиокислительной, моющей и антикоррозионной) присадки ЦИТАМ-339.

Вязкостные присадки могут разрушаться под действием доста­точно больших (свыше 250 °С) температур и из-за механического воздействия (при энергичном пере­мешивании и высоких контактных напряжениях). При этом высоко­молекулярные полимеры с длинными боковыми цепями, сос­тавляющие основу вязкостных присадок, разрываются с образо­ванием более коротких цепей и вязкость масла уменьшается.

Срабатывание присадок является основным критерием, обусловливающим необходимость смены масла. При этом базовая часть масла, как правило, остается вполне качественной в течение длительного времени. Следовательно, в не­которых случаях (например, при затруднениях с доставкой свежих масел) можно компенсировать срабатывание присадок дополнитель­ными их дозами, вводимыми непосредственно в систему смазки двигателей. В этом отношении представляет интерес система дозированного ввода присадок с помощью микрокапсул с полуп­роницаемой оболочкой, через которую присадки в дозированном количестве постепенно поступают в масло.

Оценка старения. В результате старения масла показатели, ха­рактеризующие его положительные свойства (щелочность, ВТХ, мо­ющие, противоизносныс и противозадирные свойства), уменьшаются, а показатели, характеризующие отрицательные свойства (содержание нерастворимых примесей, кислотность), увеличиваются. Некоторые показатели (например, термоокислительная стабильность) могут оставаться практически неизменными. Процесс старения можно объективно охарактеризовать изменением вязкости, зольности, ще­лочности и содержанием механических примесей.

Зольность масла определяется количеством введенных в него зольных присадок. По мере старения (при отсутствии дол ива) ЗОЛЬ­НОСТЬ уменьшается вследствие расхода присадки на нейтрализацию продуктов окисления, ее адсорбции на частичках окисленного масла, механических примесях и поверхностях деталей.

Накопление в масле пыли, продуктов износа двигателя и других внешних загрязнений, обладающих достаточно высокой зольностью, уменьшает темп снижения зольности по времени работы двигателя.

Различают сгораемую, или органическую (продукты окисления масла) и неорганическую, или несгораемую (продукты износа, пыль, зола), части механических примесей. В процессе работы двигателя происходит накопление в масле как органических, так и неор­ганических примесей.

В нефтепродуктах количество механических примесей определя­ют растворением образца испытуемого продукта в растворителе, фильтрацией полученного раствора, определением массы нерастворившегося осадка на фильтре (эта масса характеризует общие механические примеси), сжиганием нерастворившегося осадка и определением массы несгораемых механических примесей. Разность между массой общих и несгораемых механических примесей опре­деляет количество сгораемых механических примесей.

Влияние старения моторного масла на надежность двигателя является многофакторным и сказывается в двух основных направ­лениях: в износе (механическом и коррозионном) и в образовании отложений. Эти явления взаимосвязаны: продукты износа интенсифицируют образование отложений, отложения усиливают износ двигателя.

Рассмотрим влияние изменения основных свойств и харак­теристик моторного масла при его старении на техническое состояние двигателя. В процессе эксплуатации вязкость масел, не содержащих загущающих присадок, возрастает вследствие накопления в них вязких продуктов окисления, а также частичного испарения наиболее легкокипящих углеводородов, обладающих наименьшей вязкостью.

При использовании масел со щелочными присадками для форсированных двигателей присадка может реагировать с продуктами окисления масла — образуются высоковязкие вещества. В этом слу­чае вязкость масла может возрасти до 150 %.

Например, за 200 ч работы дизеля на масле М-10Г2 при темпе­ратуре масла 115— 120°С его вязкость возрастает более чем в 2 раза. Увеличение вязкости ведет к росту механических потерь и соответствующему ухудшению мощностных показателей и эко­номичности двигателя. При отрицательных температурах масла увеличение вязкости приводит к выраженному масляному голоданию узлов трения (в особенности при низкотемпературных пусках).

Изменение вязкости загущенных масел определяется условиями протекания двух взаимно противоположных процессов: накопления продуктом окисления, выбывающих увеличение вязкости масла, и деструкции вязкостных присадок, ведущей к уменьшению его вязкости. В результате этого исходная вязкость может оставаться неизменной, увеличиваться или уменьшаться, по индекс вязкости масла всегда уменьшается (ухудшаются вязкостно-температурные ха­рактеристики). Изменение вязкости загущенного масла при старении оценивается по результатам его прокачки в заданных условиях через шестеренчатый насос лабораторной установки. Продукты окисления, накапливающиеся в масле по мере выработки ресурса, уменьшают его щелочность.

В процессе приработки трущихся пар и старения масла умень­шаются энергетические затраты на трение и снижаются темпы изно­са. Это обусловливается тем, что при трении на твердых поверхностях происходят металлофизические и химические превра­щения (оптимизация микроструктуры и микрорельефа, образование хсмосорбированных пленок), уменьшающие силы трения. Наряду с отрицательным влиянием на работу двигателей окисление масла дает и ряд положительных эффектов. Некоторые продукты окисления обладают высокой полярной активностью и благодаря этому, адсорбируясь на поверхностях трения, повышают смазочные и защитные свойства масла (к таким продуктам относятся, например, смолистые вещества, образующиеся при последовательном окислении и полимеризации углеводородов, входящих в масло). В итоге в на­чальный период работы масла его противоизносные и антифрикционные свойства улучшаются. Однако в дальнейшем происходит их ухудшение, вызываемое срабатыванием противоизнос-ных присадок, накоплением неорганических примесей (в том числе продуктов срабатывания зольных присадок) и внешних механических загрязнений.

Следует отметить, что некоторые инородные вещества, попадающие в масло, претерпевают изменения, не только снижающие их отрицательное влияние, но и приносящие в ряде случаев пользу. Например, инородные частицы размером до 3 мкм способствуют оптимизации микрорельефа поверхностей и их антифрикционному разделению. Более крупные частицы дробятся под действием высоких температур в камере сгорания и давлений в зазорах между трущимися поверхностями. На этих частицах адсорбируются моле­кулы масла и смолистых веществ.

Угар масла определяется разностью между количеством масла, залитого в двигатель, и количеством слитого из него при смене (t учетом количества масла, добавляемого в период между сменами). Угар масла обусловливается его сгоранием, испарением, утечками и I выбросом через систему вентиляции картера. Величина угара зависит I от свойств масла (испаряемости, вязкости), степени износа уплотнительных элементов, конструктивных особенностей и режим.1 работы двигателя. На величину угара влияют свойства масла, конструкция, условия эксплуатации и техническое состояние двигателя. Потери на испарение определяются физической стабильностью масла, которая зависит от его химического и фракционного составов, поэтому масла с широким фракционным со­ставом имеют повышенный расход на угар. Загущенные масла обладают повышенной и спаряемостью маловязко­го базового масла, что увеличивает рас­ход этих масел на угар при работе двигателя на форсированных режимах. При уменьшении вязкости угар масла возрастает (рис. 7.10) вследствие увеличения протечек по уплотнительным элементам (в первую очередь по цилиндро-поршневой группе и по зазо­ру пары клапан — втулка).

Нормативный расход масла на угар <7_М определяется в зависимости от расхода топлива G_т: G_v = kG_T, где к — нормативный коэффициент расхода масла, равный 0,035 для автомобилей с кар­бюраторными двигателями, 0,06 — с четырехтактными дизелями, 0,075 — с двухтактными дизелями и 0,05 — для тракторов. Приве­денные значения к получены по среднестатистическим данным. При совершенствовании конструкции двигателя и улучшении качества масла значение к может быть существенно снижено. Например, для двигателей автомобилей «Жигули» всех моделей установлена норма к= 0,008, при этом фактически к = 0,0025 — 0,005 и менее.

Поставлена задача снижения величины к до значений 0,001 — 0,003.

Рекомендуется использовать в качестве параметра оценки расхода масла на угар величину удельного расхода масла G_M, равную отно­шению расхода масла G_M (кг) к произведению мощности двигателя Nе(кВт) на время его работы т(ч): g_м = G_M/N_eт).

Существует теоретический предел снижения угара, определяемый потерями на испарение масла и обеспечение масляной пленки, до­статочной для герметизации уплотнений по кольцам и в зазоре клапан — втулка. Уменьшение расхода масла на угар ниже этого предела ведет к увеличению износа и .образования отложений.

Повышенный расход масла в дизелях по сравнению с карбюра­торными двигателями объясняется более интенсивным окислением масла из-за повышенного количества газа, поступающего в картер из надпоршневого пространства, и большим количеством кислорода, содержащегося в этом газе.

Угар возрастает с повышением частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель. Это объясняется увеличением подачи масла на стенки цилиндра, повышением количества масла, попада­ющего в надпоршневос пространство вследствие насос нот действия поршневых колец (рис. 7.11), и уменьшением пылкости масла из-за роста его температуры. Повышенный угар масла при движении ав-

томобиля на загородных трассах определяется этими обстоятельст­вами.

Угар может быть снижен при рациональной организации вентиляции картера, в частности путем соединения дренажных магистралей картера с впускным трактом (при этом должны исполь­зоваться маслоуловители).

Важным ресурсом снижения угара масла является усовершенст­вование конструкции маслосъемных и компрессионных колец. В час тности, поршневые кольца с проточкой на внутренней поверх­ности имеют относительно небольшое осевое перемещение, благодаря чему снижено их насосное действие.

На рис. 7.12 приведен график, характеризующий изменение расхода масла по мере совершенствования конструкции гильз и поршневых ко­лец двигателя.

У технически исправного двига­теля основную (до 90 %) часть угара составляет масло, попадающее в надпоршневую часть цилиндра. Коли­чество этого масла зависит от характера и чистоты обработки цилиндро-поршневой группы и пары трения стебель клапана — втулка. Из рис. 7.13 следует, что при обкатке двигателя угар снижается. Это мож­но объяснить оптимизацией гео­метрии и микроструктуры поверхностей трения. По мере износа двигателя и накопления в нем отложений угар

возрастает (у предельно изношенного двигателя в 20 раз и более). С увеличением количества масла, попадающего в камеру сгорания, нарушаются условия смесеобразования, воспламенения и сгорания рабочей смеси (в частности, из-за «заброса» масла на электроды свечей и распылители форсунок), что вызывает ухудшение эко­номических и мощностных показателей двигателя, а также снижение его надежности. Следствием увеличения угара масла является мно­гократное повышение концентрации в отработавших газах токсичных ароматических углеводородов. Отсюда следует, что величина угара и токсичность отработавших газов коррелируются с техническим состоянием и износом двигателя и могут быть использованы для комплексного диагностирования.

Вследствие старения масла необходимо производить его регуляр­ную смену в двигателе. Оптимизация периодичности смены имеет большое экономическое значение. При необоснованном увеличении сроков смены масла ухудшаются его свойства, возрастают количество отложений в двигателе, его износ и расход масла на угар.

Периодичность смены масла определяется экспериментально и указывается в техническом паспорте в зависимости от времени рабо­ты двигателя (в мото-часах) или пробега автомобиля (в километрах). Такой способ задания смены масла не учитывает режимов работы двигателя. Более точно определяют сроки службы масла по количе­ству израсходованного двигателем топлива. Однако и этот вариант нельзя считать достаточно надежным, так как в данном случае не учитываются условия эксплуатации двигателя. Например, при высо­кой запыленности воздуха и недостаточно совершенной системе фильтрации периодичность смены масла должна определяться по накоплению в нем механических примесей. Качество масла ухудша­ется при отрицательных температурах окружающей среды, поэтому в зимних условиях и при эксплуатации в северных районах должна практиковаться более частая смена масла.

В двигателестроении имеется четкая тенденция увеличения срока службы масла, реализуемая путем повышения его качества и совер­шенствования конструкции систем смазки и двигателя в целом.

Например, в двигателе трактора Т-25 смена масла производится через 480 мото-часов при работе на масле М-8Г₂, через 240 мото­-часов при работе на масле М-8В₂ и через 120 мото-часов при работе на масле М-8Б₂.

По расчетам массовое внедрение в народное хозяйство долгоработающего масла М-6₃/10В даст экономию в несколько миллионов рублей. За истекшие 5— 10 лет срок смены масла увеличился в карбюраторных двигателях в 1,5 — 2, в дизелях — в 2 — 4 раза. Лучшие нефтяные масла имеют срок смены до 18 тыс. км. Неко­торые перспективные синтетические масла — до 160 тыс. км (при условии обеспечения высокоэффективной фильтрации).

Возможность и целесообразность длительной работы двигателя без смены масла подтверждена экспериментальными данными.

В двигателях, работающих на газообразных топливах, длитель­ность бессменной работы масла увеличивается в 2 — 4 раза по срав­нению с двигателями, работающими на жидком топливе. Это объясняется меньшим количеством загрязнений, попадающих в масло (в 5 раз меньше, чем в карбюраторных двигателях, и в 10—20 раз меньше, чем в дизелях), меньшей скоростью срабатывания присадок и меньшим повышением вязкости масла при наработке ресурса (так как в масле накапливается меньше продуктов неполного сгорания топлива, окисления и полимеризации).

В практике моторостроения срок службы масла в двигателе опре­деляется путем анализа периодически отбираемых из двигателя проб масла и определения величины отклонения отдельных показателей качества масла от их номинальных значений — так называемых «браковочных» показателей. При достижении предельно допустимых величин браковочных параметров (табл. 7.11) масло подлежит за­мене.

'Большие значения для масел высших групп.

Таблица 7.11

Контрольные вопросы

I. Перечислите отрицательные и положительные изменения в свойствах масла при его окислении. 2. Что такое «стабилизация старении» масла и двигателе и почему она происходит? 3. Как и почему изменяется вязкость масел (незагущенных и загущенных) при работе в двигателе? 4. Почему у загущенных масел увеличен расход на угар (и сравнении печаточными)? 5. Что служит браковочными признаками, определяющими не­обходимое il смены масла?