Хімічна стабільність та миючі властивості масел

 

В процесі експлуатації змінюються хімічний склад і властивості масел. Стійкість масел проти окислювання киснем повітря (хімічна стабільність) є одним з найважливіших параме­трів, що визначають поведінку масла у вузлах тертя при експлу­атації, лімітують термін його служби тощо. В процесі роботи в маслі утворюються з'єднання, розчинні і нерозчинні. В резуль­таті окислювання масла утворюються лакові та вуглисті відкла­дення, низькотемпературні відкладення, органічні кислоти й ін­ші продукти. Усе це погіршує якість масел, а також порушує нормальну роботу двигуна. Глибокі зміни якості масел викли­кають необхідність їх заміни.

Швидкість окислювання масла залежить від його хіміч­ного складу, умов експлуатації, технічного стану двигуна, якості палива, охолоджувальної рідини та інших факторів. В результаті правильного вибору масла, своєчасного контролю за технічним станом масляної системи автомобіля збільшується термін служ­би масла, скорочується витрата палива.

Окислювання масел може здійснюватися за двома основ­ними напрямками, з утворенням нейтральних або кислих про­дуктів. До нейтральних з'єднань відносяться спирти, складні ефіри, альдегіди, кетони, асфальтени тощо. Спирти і складні ефіри не здійснюють негативного впливу на властивості масла. Альдегіди і кетони можуть утворювати продукти конденсації, в результаті чого з'являються низькотемпературні відкладення, які можуть збільшити в'язкість масла. До кислих продуктів, які утворюються при окисленні масла, відносяться органічні кисло­ти, кето- і оксікислоти, фенмасла. Утворення кислот - один з основних напрямків реакції окислювання вуглеводів масла. Поряд з високомолекулярними кислотами (число атомів вуглецю в молекулі до 22), у продуктах окислювання можуть зустрічатися низькомолекулярні кислоти - мурашина, оцтова, пропіонова, масляна і т ін. Низькомолекулярні кислоти, активно діючи на метали, викликають їх корозію. Продуктами глибокого окислювання масел є асфальтени, карбени, карбоїди тощо.

На окислюваність масел впливають температура, поверх­ня контакту з повітрям (поверхня окислювання), каталітична дія деяких металів, присутність кисню повітря, води, старих про­дуктів окислювання. Однак основним фактором є температура. Під дією високих температур масло піддається інтенсивному окислюванню, полімеризації, конденсації, розкладанню, коксуванню. Моторні масла додатково піддаються дії нагрітих газів, що прориваються з камери згоряння в масляний картер. Відпо­відно до правила Вант-Гоффа, підвищення температури на 10°С прискорює реакцію окислення в 2-3 рази. З таблиці 2.9 видно, що для окислювання масла до однакової глибини при температурі 150°С необхідно в 1700 разів менше часу, чим при температурі 50°С.

 

Таблиця 2.9

Вплив температури масла на процес його окислювання

 

Температура, °С
Час до появи оcаду, ч

 

При роботі в двигуні масла піддаються впливу високих температур, наприклад, у картері до 110-140°С, у зоні першого поршневого кільця до 2200-2300°С, а в ряді випадків до 3000-3300°С і більше. Підвищенню теплової напруженості деталей двигуна сприяє застосування систем охолодження двигуна з використанням всесезонних охолоджувальних рідин (антифри­зів). Температура масла в картері збільшується з підвищенням температури навколишнього повітря, збільшенням швидкості руху, навантаження. Так, із збільшенням швидкості легкового автомобіля з 80 до 144 км/год температура масла в картері підвищується від 110 до 130°С, при русі автомобіля з причепом температура масла зростає від 120 до 160°С при зміні швидкості руху з 80 до 144 км/ч.

Найбільш інтенсивна окислюваність масла відбувається перші 100-150 годин роботи. На початковій стадії утворю­ються головним чином продукти розщеплення пероксидів (ки­слоти, альдегіди, кетони та інші речовини), потім продукти більш глибокого окислювання; які випадають в осад. При темпе­ратурах до 300°С в основному протікають реакції окислювання, при більш високих температурах спостерігається термічний крекінг - розщеплення вуглеводнів масла. При цьому процеси протікають дуже інтенсивно і глибоко. Підвищення тиску повітря, площі зіткнення з ним прискорює окислювання масла. У камері згоряння масло піддається впливу кисню і температури до 2000 °С. Масла, що потрапило в камеру згоряння, піддається коксуванню з утворенням твердих продуктів коксу і нагару, що може бути причиною оплавлення і розтріскування поршнів, прогару випускних клапанів тощо.

У циліндро-поршневій групі створюються найбільш важкі умови для роботи масел. Тут масло знаходиться у виді тонкої плівки і піддається впливу температур 1500-3300°С від гаря­чих стінок циліндра і поршня, відпрацьованих газів тощо. При цьому відбувається випаровування легких фракцій масел і його глибоке окислювання.

Масло при роботі стикається з різними металами. Деякі з них можуть бути каталізаторами, тобто прискорювати процес окислювання. До таких металів відносяться в першу чергу свинець, мідь і їх сплави (табл. 2.10), відносно слабко каталі­зують процес окислювання цинк, олово. Каталітична дія металів змінюється в залежності від умов окислювання. Якщо з поверхні металу видалити оксидну плівку, то такий метал як, наприклад, алюміній, стає одним із самих активних каталізаторів. У присут­ності двох металів, наприклад, заліза і міді, процес окислювання здійснюється активніше, чим у присутності цих металів окремо.

В результаті окислювання масла утворюються низькотем­пературні осади (шлами) і високотемпературні відкладення (нагари і лаки). Шлами являють собою не розчинні в маслі речовини, що відкладаються в камері згоряння і системі мащен­ня. Наприклад, нагромаджуючись в мастилопроводах, шлами можуть навіть порушити або припинити доступ масла до поверхонь тертя деталей. Паливо, вода, механічні домішки, продукти (тверді) окислювання масла приймають саму особисту участь в утворенні шламів.

 

Таблиця 2.10

Вплив металів на окислювання масел

(при температурі 120°С та впливу 70 годин)

 

Показники	Після окислювання в присутності металів
Вихідне масло	Без мета­лу	Zn	Fe	Sn	Cu	Pb
Кислотне число, мг КОН/1 м3	0,06	0,06	0,06	0,07	0,07	0,07	11,84
Осад, %	-	-	-	сліди	-	0,03	2,64

 

В результаті окислювання масла утворюються низькотемпературні осади (шлами) і високотемпературні відкладення (нагари і лаки). Шлами являють собою не розчинні в маслі речовини, що відкладаються в картері і системі мащення. Наприклад, нагромаджуючись в маслопроводах, шлами можуть навіть порушити або припинити доступ масла до поверхонь тертя деталей. Паливо, вода, механічні домішки, продукти (тверді) окислювання масла приймають саму особисту участь в утворенні шламів.

Особливо інтенсивне утворення шламів спостерігається при роботі двигуна на зниженому тепловому режимі, при зниженні температури двигуна (по охолоджувальній рідині і маслу) до 50°С і нижче. Це пояснюється конденсацією водяних парів у картері, при прориві відпрацьованих газів з камери згоряння (рис. 2.8). Вода сприяє коагуляцію домішок і випаданню їх в осад. При знижених теплових режимах двигуна погіршується процес згоряння палива. Частина продуктів неповного згоряння палива попадає в масляний картер, забруднюючи масло і прискорюючи його окислювання. У двигунах, що працюють на етилованому бензині, у складі шламів присутній свинець, що також свідчить про участь палива в утворенні осадів.

 

 

Рис. 2.6. Залежність кількості конденсату в картерних газах на виході з

двигуна і ступеня їх конденсації в двигуні від його робочих температур (по воді та маслу):

1 – кількість конденсату в картерних газах на виході з двигуна;

2 – ступінь конденсації картерних газів у двигуні

Склад осадів непостійний і залежить від якості масла, палива, умов експлуатації, технічного стану двигуна. Склад осаду наступний: масло – 50-85%, вода – 5-35%, паливо – 1-7%, оксікислоти – 2-15%, асфальтени – 0,1-1,5%, карбени і карбоїди – 2-10%, зола – 1-8%. У двигунах, що працюють на перемінних режимах з частими пусками і зупинками (наприклад, при роботі в міських умовах), в умовах підвищеного забруднення ззовні, масло окислюється швидше, утворення шламів відбувається інтенсивніше в порівнянні з маслами в двигунах, що працюють при постійному тепловому режимі. Шламоутворення збільшується при використанні низькоякісних масел, особливо у високофорсованих двигунах (наприклад, використання масла М-8М2 замість масла М-8М2К в автомобілях КамАЗ). Крім того, на швидкість окислювання, утворення шламів впливає технічний стан двигуна. Так, у 1,35 рази збільшується кількість відкладень при збільшенні зазору в зоні поршневих кілець від 0,6 до 1,2 мм. Це пояснюється різким збільшенням прориву газів у картер.

Низькотемпературні відкладення накопичуються в каналах системи мащення, картері двигуна, на сітці, фільтрах, кришці клапанної коробки. При цьому погіршується очищення масел, спостерігається підвищений знос деталей двигуна, у першу чергу, вкладишів підшипників і шийок колінчастого вала, гільз циліндрів і поршневих кілець. Використання низькоякісного масла, інтенсивне утворення низькотемпературних відкладень – шламів веде до перевитрати палива та масла, знижує надійність роботи двигуна.

Нагари являють собою вуглисті речовини, що відкладаються на стінках циліндра, днищі поршня. Кількість і якість утворення нагарів залежить від багатьох параметрів, у тому числі якості палива і масел. При роботі двигуна на маслах підвищеної в'язкості збільшується кількість нагару, при використанні палив і масел з підвищеним змістом сірки – щільність нагарів. Нагари можуть бути причиною калільного запалювання і детонаційного згоряння палива в двигунах з іскровим запалюванням. Якщо двигун працює на постійному підвищеному тепловому режимі, кількість нагару знижується. При використанні низькоякісних масел, підвищенні температури збільшується можливість залягання поршневих кілець внаслідок збільшення кількості нагарів і забруднення масел продуктами згоряння палива. Залягання кілець може бути викликано механічними домішками, що “вдавлюються” у торцеві поверхні канавки і кільця. Нагар, домішки можуть накопичуватися в зазорі між кільцем і канавкою поршня, що приводить до задирів кільця і циліндра, тому що кільце буде виступати над поверхнею поршня, до стирання (затирам) їх поверхонь. Нагари на впускних клапанах, продувних вікнах гільз циліндрів знижують коефіцієнт наповнення циліндрів, викликають перевитрату палива, знижують потужність двигуна і т.п.

Лаки - дуже щільні, речовини, що утворюються в зоні поршневих кілець і на гарячих деталях двигуна. Із збільшенням температури лакоутворення підвищується. При підвищеному лакоутворенні відбувається пригорання поршневих кілець, вони не виконують свої функції, порушується герметичність між поршнем і циліндром. Лакоутворення підвищується також при використанні масел підвищеної в'язкості. Лаки, що утворюються на стрижнях випускних клапанів, у ряді випадків приводять до їх заклинювання і наступної поломки штанг, виходу з ладу двигуна.

На окисленість суттєво впливає старе масло. Тому перед заправленням свіжим маслом картер і всю масляну систему необхідно промити. Промивання двигуна веде до зниження витрати палива й масла, зменшення зносу двигуна, підвищенню його надійності. У присутності старих продуктів окислення термін служби свіжого масла зменшується в 1,5-2 рази. Промивати двигун слід спеціальними промивочними маслами які мають високі мастильні властивості і розчинюючу здатність. Цими якостями не володіють для промивання двигунів веретенне, трансформаторне масло, гас, дизельне паливо або суміші палив з моторними маслами. Відпрацьоване масло зливають при температурі 75-85°С, заливають промивочне ма­сло і дають попрацювати двигунові 15-20 хв. при перемінних частотах обертання колінчастого вала. По закінченні проми­вання промивочне масло зливають і заливають свіже моторне.

У зношених двигунах масло окислюється значно швидше (особливо в двигунах, що пройшли капітальний ремонт), ніж у нових.

З метою підвищення антиокисних властивостей в масло додають антиокисні присадки. Щоб запобігти випаданню в осад продуктів окислювання масла, утворення нагарів і лаків, масла повинні володіти високими миючими властивостями. Під мию­чими (диспергованими) властивостями мається на увазі здатність масла утримувати нерозчинні в маслі речовини в зваженому стані, не давати можливості дрібним часточкам коагулюватися та осідати на металеві поверхні. Миючі властивості масел залежать від термоокислюваної стабільності. Чим більше працює масло, тим більше в ньому нерозчинних речовин.

При проходженні через фільтр тонкого очищення частина речовин залишається на фільтрі, а частина - в маслі (рис. 2.7). Фільтрація дозволяє різко знизити кількість відкладень у двигуні. Крім твердих продуктів окислювання при фільтрації видаляються інші тверді речовини, які потрпляють з повітрям і газами, що прориваються, та продуктами зносу двигуна і викликають абразивний знос двигуна. Масла, призначені для тяжких умов роботи, наприклад у дизельних двигунах ван­тажних автомобілів і автобусів, значний час працюють на режимі високих навантажень. Високі миючі властивості масла для цих умов роботи двигунів мають першорядне значення, менш важливі ці властивості для легкових автомобілів, хоча значимість миючих властивостей для легкових автомобілів не знижується. Для поліпшення миючих властивостей масел у їх склад вводять детергентно-диспергуючи присадки.

 

Рис. 2.7. Нагромадження осаду в маслі та на фільтрі тонкого очищення при роботі двигуна:

1 – осад в маслі при роботі двигуна без фільтра; 2 – осад на фільтрі тонкого очищення; 3 – осад в маслі при роботі двигуна, обладнаного фільтром тонкого очищення

 

Термоокислювана стабільність масел, їх антиокисні вла­стивості, схильність до утворення відкладень при низьких тем­пературах миючі властивості масел визначають спеціальними методами.