§ 6.3. Стабильность масел

Под стабильностью масла понимают его способность сохранять показатели качества в пределах определенных допусков в заданных условиях эксплуатации. Различают химическую и физическую стабильность масел.

Химическая стабильность определяется способ­ностью масла сохранять химический состав при хранении, транс­портировании и использовании в двигателе. Основной причиной нарушения химической стабильности масла является окисление уг­леводородов, входящих в его состав, кислородом, содержащимся в газах, контактирующих с маслом. При температурах 40 °С и отсутствии каталитического воздействия скорость окисления пренеб­режимо мала и масло в емкостях может храниться длительное время (годами).

С повышением температуры скорость окисления увеличивается (при работе в двигателе примерно удваивается на каждые 10 °С), и при достаточно высоких температурах начинается его термическое разложение. Температура поверхностей деталей, с которыми кон­тактирует масло, достигает 280 °С (верхняя кольцевая канавка пор­шня) и доходит до 400 °С (стебель выпускного клапана). Температура газов, проникающих из надпоршневого пространства в картер дизелей, в зависимости от режима работы равна 500 -700 C.

Способность масла противостоять окислению при повышенных

температурах характеризуется его термоокислительной стабильностью. Это свойство определяет работоспособность масла в цилиндро-поршневой группе и ограничивает максимально допустимую температуру стенки цилиндра, вводя жесткие ограничения на ус­ловия ее охлаждения. Для обеспечения стабильности современных моторных масел средняя температура стенки цилиндра не должна превышать 250 — 280 °С. Если получить масла стабильные при тем­пературе стенки 700 — 1000 °С, то можно осуществить процесс в ДВС, близкий к адиабатному. Следовательно, получение масел с высокой термоокислительной стабильностью является одним из основных этапов приближения к адиабатному двигателю.

На характер окисления масла кроме температуры оказывают влияние специфические условия его работы в двигателе — большие поверхности контакта масла с воздухом (масляные пленки, масляный туман, вспенивание масла в картере). Значительную роль играет контакт масла с металлами (в особенности с мелкодиспергированными продуктами износа). Например, медь, сталь, свинец ускоряют процесс окисления (являются его ка­тализаторами) (рис. 6.11), а алю­миний и олово не влияют или даже тормозят окисление. Наиболее ин­тенсивное окисление масла наблюда­ется в относительно тонких слоях, находящихся на сильно нагретых ме­таллических поверхностях.

Окисление и сопутствующая ему полимеризация окисленных углеводо­родов проходят как последовательная цепная реакция: образование ор­ганических кислот, карбенов, кар-бондов, асфальтенов и пр. Окисление масла дополнительно увеличивается из-за растворения в нем продуктов сгорания топлива. По мере уве­личения степени окисления возраста­ет молярная масса образующихся продуктов и снижается их раст­воримость в масле. Конечные продукты окислительной полимеризации — карбены и карбоиды — нера­створимы в органических соединениях. При накоплении продуктов окисления возрастают вязкость и кислотность масла.

Различные типы углеводородов, входящих в базовое масло, дают разные по химическому составу и физическим свойствам конечные продукты окисления. Парафиновые и нафтеновые углеводороды при окислении образуют растворимые в масле соединения, ароматические дают нерастворимые в масле отложения — смолисто-асфальтовые ве­щества. Поэтому хорошо очищенные от ароматических веществ ба­зовые масла склонны к повышению вязкости и кислотности (благодаря чему повышается их коррозионная агрессивность), но даже в тяжелых условиях работы двигателя дают малое количество отложений. Наибольшей стойкостью к окислению обладают углево­дороды, не имеющие боковых цепей. Более того, продукты окисления этих углеводородов — фенольные соединения — обладают свойством обрывать цепи окислительных реакций, т.е. предохранять от окисления остальные углеводороды. На этом свойстве основан метод усиления антиокислительных свойств масла — путем введения в него веществ фенольного характера (например, ионола).

Образующиеся в процессе окисления масла промежуточные про­дукты могут как ускорять, так и замедлять дальнейшие окислитель­ные и полимеризационные процессы. Некоторые из углеводородных компонентов базовых масел (например, смолистые вещества) явля­ются естественными антиокислителями, поэтому увеличение глубины очистки масла может усилить его склонность к окислению. Перекисные соединения действуют в качестве катализаторов, ускоряющих окисление углеводородов масла и способствующих глубокому окислению начальных продуктов.

Стабильность моторных масел против окисления определяется их антиокислительными свойствами и характеризуется изменением кислотного числа, вязкости, содержания смол (для масел без присадки) и коксуемости.

Для повышения устойчивости масел против окисления в них вводят антиокислительные присадки. По механизму воздействия различают две группы антиокислительных присадок: присадки, тор­мозящие образование активных радикалов в начальной стадии про­цесса окисления, и присадки, не только тормозящие этот процесс, но и разлагающие уже образовавшиеся окисленные продукты с прев­ращением их в стабильное к дальнейшему окислению состояние (к разрыву цепной реакции окисления).

В качестве антиокислительных присадок к моторным маслам используют раствор диалкилтиофосфатов металлов (бария, цинка) в веретенном масле. Эти присадки, являясь многофункциональными, улучшают также антикоррозионные, моюще-депрессорные, деэмульгирующие и противоизносные свойства масел.

Антиокислительные свойства моторных масел определяют путем испытаний масла на лабораторной одноцилиндровой установке с пос­ледующей оценкой антиокислительных свойств по изменению вяз­кости масла за время испытаний.

Для уменьшения каталитического воздействия металлов на окисление моторного масла в него вводят пассивирующие присадки (пассиваторы металлов) и деактиваторы. Принцип действия пассивирующих присадок заключается в том, что они образуют на поверхности металла адсорбированную или хемосорбированную плен­ку, предотвращающую непосредственный контакт масла с металлом и эмиссию ионов металла в масло. Благодаря этому пассиваторы металлов придают маслу также антикоррозионные и консервационные свойства. Механизм антиокислительного действия деактиваторов основан на том, что они переводят в неактивное состояние соединения металлов, растворенные в масле.

В некоторых условиях эксплуатации отдельные типы двигателей могут подвергаться воздействию радиации, при этом на смазочные материалы воздействуют потоки квантового (γ-излучение) и корпу­скулярного (α-частицы, протоны, нейтроны и т.д.) излучений. Эти излучения оказывают на смазочные материалы влияние энергетиче­ского характера. Под действием радиационного облучения происходит частичный разрыв связей между атомами в молекулах и их ионизация. В результате образуются свободные радикалы и ионы, которые в дальнейшем участвуют в цепных реакциях окисления и полимеризации. Частичное отщепление гомон водорода приводит к появлению высокоуглеродистых продуктов конденсации. Под действием этих процессов повышается кислотность и вязкость масел. В загущенных маслах разрушаются вязкостные присадки, в результате чего в начале обучения вязкость загущенных масел при рабочей температуре снижается, но затем они загустевают так же, как и остальные масла. Способность масла противостоять радиационному облучению характеризуется его радиационной стойкостью (стабильностью).

Радиационная стойкость масел во многом зависит от их термоокислительной стабильности. Стандартные нефтяные и синтетические масла обладают радиационной стойкостью, обеспечивающей сохра­нение их эксплуатационных свойств при суммарной дозе поглощен­ного излучения не более 2 10 Гр. Для повышения радиационной стойкости моторных масел в них вводят антирадиационные присадки. К таким присадкам, например, относят иод, бензол, тиазины и пр.

Физическая стабильность масла определяется его способностью сохранять заданный фракционный состав и физическую гомоген­ность. Фракционный состав масла изменяется вследствие его испа­рения во время работы в двигателе. При повышении температуры масла в первую очередь испаряются наиболее легкокипящие фракции. В результате масло обогащается высококипящими тяже­лыми фракциями, обладающими повышенной вязкостью и склонно­стью к осадкообразованию. При сужении фракционного состава масла его физико-химические свойства становятся более стабильными.

П рактически единственным спо­собом воздействия на физическую стабильность является выбор базовых масел, включающих в себя мини­мальное количество легкокипящих фракций и обладающих возможно более узким фракционным составом. К таким маслам относится боль­шинство синтетических масел, испа­ряемость которых в несколько раз меньше, чем у нефтяных (рис. 6.12). Это создает благоприятные условия для получения на основе синте­тических (особенно полиэфирных) масел долгоработающих моторных масел.

Экспериментальное определение фракционного состава моторного масла затруднено из-за того, что разгонка (во избежание термиче­ского разложения) должна проводиться под вакуумом. Поэтому оцен­ка физической стабильности моторного масла осуществляется по косвенному параметру — температуре вспышки паров.

Температурой вспышки паров называют минимальную температуру, до которой необходимо нагреть в специальном приборе масло, чтобы его пары воспламенились на воздухе от поднесенного к ним открытого пла­мени. Чем ниже эта температура, тем больше в масле низкокипящих углеводородов и тем более склонно оно к испарению.

Иногда для этой же цели (а также для оценки пожароопасности масла) используют температуру воспламенения масла. Температу­рой воспламенения называют минимальную температуру, до которой необходимо нагреть масло, чтобы оно загорелось с поверхности от поднесенного к нему открытого пламени. Очень низкие температуры вспышки и воспламенения характеризуют высокую испаряемость или наличие в нем больших количеств топлива.

Потери от испарения масла в динамических условиях определяют по стандартной методике путем пропускания воздуха через испыту­емое масло и определения относительных потерь массы масла (в процентах).

Физическая гомогенность масла определяется равномерностью распределения в нем добавок и присадок, нерастворимых в масле. Для обеспечения физической гомогенности эти компоненты вводят в масло в тонкодисперсном состоянии, образуя тем самым кол­лоидный раствор. Устойчивость (коллоидная стабильность) кол­лоидного раствора определяет изменение качества масла при хранении. Нарушение коллоидной стабильности — коагуляция — вы­зывает выпадение присадки в осадок и ухудшение эксплуатационных свойств масла. К факторам, усиливающим процесс коагуляции, отно­сятся, в частности, увеличение длительности и температурного диапазона хранения, частота смены температур, а также воздействие ударных и вибрационных нагрузок. Ускорение коагуляции наблюда­ется при попадании в масло посторонних примесей (вода, ме­ханические загрязнения и т.п.), играющих роль центров коагуляции. С увеличением вязкости масла коллоидная стабильность улучшается. Физическая стабильность синтетических масел широко изменяет­ся в зависимости от их химического состава. Для некоторых марок неуглеводородных синтетических масел ограничены условия хранения по температуре окружающей среды, транспортным вибрациям и перегрузкам.