§ 6.4. Влияние масла на образование отложений

Отложения, образующиеся в двигателе, ухудшают его технико-экономические показатели, надежность и долговечность. Основной причиной образования отложений является старение моторного масла и осаждение образовавшихся при этом продуктов на внут­ренних поверхностях двигателя. Принято различать три основных вида отложений: высокотемпературные — нагар, среднетемпературные — лаковые отложения, или лаки, и низкотемпературные — шлам или осадки. Условия образования нагара рассмотрены ранее (§ 3.8).

Лакообразование и моюще-диспергирующие свойства масел. В двигателях, использующих углеводородные ТиС, на поверхностях некоторых деталей (главным образом на боковых поверхностях поршня, цилиндра, в поршневых канавках и внутренних поверхностях стенок поршня, шестернях и пр.) откладывается прочно скрепленная с поверхностью металла пленка толщиной от нескольких десятков до 200 - 300 мкм. Цвет пленки может изменяться от светло-желтого в тонких слоях до черного. Из-за сходства с лаковыми покрытиями такие пленки называют лаковыми отложениями или лаками. Лаки образуются при температурах свыше 350°С, когда наряду с окислением начинают значительно проявляться процессы термической деструкции углеводородов — крекинг и дегидро­генизация с частичной полимеризацией вновь полученных веществ. В состав лаковых отложений входят карбены и карбоиды — 40 - 80 %, масло и нейтральные смолы — 15 - 40 %, асфальтены и оксикислоты 10 - 15 %.

Лаковые отложения способствуют перегреву двигателя и накоп­лению нагара, скрепляя его с металлической поверхностью. В лаках собираются интенсифицирующие износ поверхностей трения частицы нагара, пыли, износа и др. Накапливаясь в канавках поршневых колец, эта масса приводит к потере кольцом подвижности – его «пригоранию». Лак может быть масляного происхождения, топливно­го и смешанного. Интенсивность образования лака зависит как от конструкционных особенностей и условий работы двигателя, так и от качества топлива и масел.

Количество лаковых отложений возрастает при увеличении вре­мени работы двигателя и повышении температуры его деталей. Со­ответственно при уменьшении прокачки масла и увеличении прорыва газов из надпоршневого пространства в картер количество образу­ющихся лаков и скорость их образования возрастают. Склонность к лакообразованию увеличивается с утяжелением фракционного соста­ва нефтепродукта, поэтому количество лака, образующегося из бензина, меньше, чем из дизельного топлива, а из дизельного топлива меньше, чем из моторного масла. Наибольшей склонностью к лакообразованию обладают асфальто-смолистые вещества.

Большое влияние на лакообразование оказывает использование топлива с повышенным содержанием серы — получающиеся при этом лаки прочно связаны с металлом. Одновременно образуются органические сернистые соединения, способствующие пригоранию ко­лец и коррозионному износу пар трения.

На скорость лакообразования каталитическое влияние оказывают металлы (наибольшее — малоуглеродистые стали, меньшее — нержа­веющая сталь, медь, бронза, алюминий и его сплавы). Склонность масла к лакообразованию зависит от его термоокислительной стабильности.

Интенсивность лакообразования зависит от количества и степени дисперсности, склонных к выделению из раствора окисленных органических веществ, находящихся в масле. На поверхностях де­талей оседают относительно крупные частицы, мелкие остаются в масле и лаковых отложений не образуют. Следовательно, для уменьшения лакообразования масло должно обладать свойствами под­держивать смолистые вещества в дисперсной фазе и препятствовать отложению лаковых пленок на металлических поверхностях. Базовые масла практически не обладают этими свойствами.

Для придания моторному маслу соответствующих свойств в него вводят моюще-диспергирующие присадки, содержащие поверхностно-активные вещества. Действие этих присадок основано на химических реакциях с отложениями (нейтрализация кислых продуктов, химиче­ское превращение склонных к лакообразованию промежуточных про­дуктов окисления в карбены и карбоиды, легко отделяющиеся от металлических поверхностей и пр.) и физическом взаимодействии с частицами отложений. Это взаимодействие заключается в адсорбции присадки на частицах отложений, ограничивающей их дальнейший рост, и поддержании образовавшихся мицелл в виде коллоидного раствора в масле (диспергирующее действие присадок), а также создании на металлических поверхностях пленок, препятствующих отложению лаков и снижающих адгезию уже образовавшихся отло­жений к поверхности металла (моющее действие присадок).

Применяют два основных типа моющих присадок: зольные и беззольные. Зольные присадки содержат сульфонаты бария, кальция, магния и обладают высокой щелочностью, обеспечивающей эф­фективную нейтрализацию кислых продуктов.

При сгорании зольных присадок образуется зола, оказывающая отрицательное влияние на работу двигателя. Зольность масла опре­деляется путем сжигания образца испытуемого продукта, про­каливания твердого остатка до постоянной массы, которую принимают за массу золы. Зольность х оценивается в процентах по уравнению

х =( m₁/m)100,

где т₁—масса золы, г; т—масса испытуемого продукта, г.

Зольность товарных масел находится в пределах 0,5 — 2,6% (0,5 — 1,0 % малозольные масла; 1,5 — 2,0 % — высокозольные).

Содержание золы до 0,002 % оценивается как ее отсутствие. При снижении зольности масла уменьшается возможность возникновения калильного зажигания, улучшается работа свечей и уменьшается износ двигателя.

Беззольные присадки состоят из органических соединений и при сгорании не дают зольных отложений. Существуют беззольные присадки двух основных видов: на основе производных янтарной кислоты — сукцинимидные присадки и на основе метакрилоных эфиров и азотистых соединений — сополимерные присадки. Недостат­ком беззольных присадок является повышенная коррозионная агрессивность, поэтому их применяют вместе с антиокислительными присадками.

Моюще-диспергирующие присадки относятся к наиболее распространенному типу присадок. Их добавляют к мотор­ным маслам в относительно больших количествах — до 20 % и при этом используют сочетание присадок различного типа, отличающихся по характеру действия.

Моющие свойства масел характеризуют величиной моющего потенциала, определяющего способность анализируемого масла удерживать во взвешенном состоянии эталонный загрязнитель. Чем больше моющий потенциал масла, тем лучше его моющие свойства. Моющие свойства масел определяют лабораторными методами или по результатам моторных испытаний. Наиболее распространен лабораторный метод определения моющих свойств на приборе, ко­торый представляет собой одноцилиндровую установку с кривошипно-шатунным механизмом, приводимым от электродвигате­ля. Заданные температуры масла в картере и на поверхности поршня обеспечиваются электроподогревателями. После испытаний на иссле­дуемом масле в течение заданного промежутка времени установку разбирают и по количеству лака, образовавшегося на боковой повер­хности поршня, по цветной шкале оценивают моющие свойства мас­ла. Если на поршне отсутствует лак, то масло получает балл 0, если поршень сильно загрязнен лаком — балл 6.

Шлам представляет собой липкую студнеобразную массу, отла­гающуюся на поверхностях, контактирующих с маслом при относительно низких температурах (картер, клапанная коробка, центрифуга и пр.), поэтому вместо термина «шлам» иногда приме­няют название «низкотемпературные отложения» или «осадок». В состав шлама входят: масло, тяжелые фракции и продукты неполного сгорания топлива, сажа, частицы нагара, нерастворимые в масле продукты окисления и полимеризации углеводородов (асфальтены, карбены, карбоиды), смолистые вещества, сернистые соединения, а также зола и всевозможные загрязнения, попадающие в моторное масло. Источниками поступления этих веществ являются прорыва­ющиеся в картер из надпоршневого пространства отработавшие газы двигателя; продукты, образующиеся при старении масла, в резуль­тате износа поверхностей трения и загрязнения, поступающие в масло через систему вентиляции картера.

В присутствии воды перечисленные компоненты шлама агрегатируются и выпадают в осадок. Это явление можно проил­люстрировать следующим опытом. Если 1 или 2 % сажи тщательно размешать в масле, то даже после длительного отстоя большая часть сажи остается в масле во взвешенном состоянии. Если же в этот состав добавить небольшое количество воды и взболтать, то через непродолжительное время большая часть сажи выпадет в осадок и масло вновь станет прозрачным.

Наличие смолисто-асфальтовых веществ придает осадку липкость. Оксиды азота и серы, поступающие в картер с отработавшими газами, оказывают каталитическое влияние на окисление и поликонденсацию углеводородов, а следовательно, интенсифицируют образо­вание шлама, увеличивая одновременно его коррозионную аг­рессивность.

При работе двигателя на этилированных бензинах и на топливах с повышенным содержанием серы количество образующегося шлама возрастает.

Осадкообразование можно уменьшить путем совершенствования конструкции двигателя за счет введения мероприятий, обеспечива­ющих эффективную вентиляцию картера, тщательную фильтрацию масла и повышение температурного режима при работе на холостом ходу и малых нагрузках. Наличие в масле моюще-диспергирующих присадок уменьшает количество образующихся осадков.

Склонность моторных масел к образованию шлама определяют путем испытаний масла в течение 120 ч на лабораторном одноцилиндровом карбюраторном двигателе с последующим опреде­лением количества отложений, образовавшихся в центрифуге.

Для очистки масляной системы двигателя от шлама применяют промывочные масла, обладающие высокой диспергирующей и раст­воряющей способностью. В состав таких масел входят маловязкие базовые масла, керосиновые дистилляты, растворители и моющие средства (фенолы, кетоны, гликолевые эфиры, толуол и т.п.; например, смесь, состоящая из 90 % маловязкого масла и 10 % бензола или толуола). Промывку осуществляют путем кратковремен­ной (15 —30 мин) работы двигателя на промывочном масле в режиме холостого хода или минимальной нагрузки при температуре охлаж­дающей жидкости 50 —70 °С.