Раздел 3. Горюче-смазочные материалы и эксплуатационные жидкости

Дисциплина: ОП.03. Материаловедение

Автомеханик

             ПЛАН УРОКА № 30          ГРУППА: АМ-2-19              Дата: 06.05.20 г.

Преподаватель: Иванова Л.Н.

РАЗДЕЛ 3. ГОРЮЧЕ-СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ЖИДКОСТИ

Тема программы:  Тема 3.1. МАСЛА, ТОПЛИВО, СМАЗКИ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ЖИДКОСТИ

              

Тема урока: МОТОРНЫЕ МАСЛА.

        Цель урока: изучить состав, свойства, классификацию и область применения моторных масел.

Моторные масла — масла, применяемые для смазывания поршневых и роторных двигателей внутреннего сгорания.

Все современные моторные масла состоят из базовых масел и улучшающих их свойства присадок.

В качестве базовых масел обычно используют дистиллятные и остаточные компоненты различной вязкости (углеводороды), их смеси, углеводородные компоненты полученные гидрокрекингом и гидроизомеризацией, а также синтетические продукты (высокомолекулярные углеводороды, полиальфаолефины, сложные эфиры и другие).

Большинство всесезонных масел получают путём загущения маловязкой основы макрополимерными присадками.

Самое первое в мире моторное масло было запатентовано в 1873 году американским доктором Джоном Эллисом. В 1866 году Эллис изучал свойства сырой нефти в медицинских целях, но обнаружил, что сырая нефть обладает хорошими смазочными свойствами. Эллис залил экспериментальную жидкость в заклинившие клапаны большого V-образного парового двигателя. В результате клапаны освободились и стали двигаться свободнее, а Джон Эллис зарегистрировал бренд Valvoline (от Valve — «клапан» и Oil — «масло», то есть «клапанное масло») — первый в мире бренд моторного масла.

Для смазывания цилиндров паровых машин использовались сначала животные жиры, а затем — специальные высоковязкие остаточные нефтяные масла (цилиндровые масла: цилиндровое 24 — вискозин, цилиндровое 52 — вапор, и другие) с добавкой животных жиров, обладающие достаточно высокой температурной стабильностью и водоотталкивающими свойствами. По сравнению с современными моторными маслами цилиндровые масла отличались очень высокой вязкостью (даже по сравнению с современными высоковязкими моторными маслами), вследствие чего для смазывания двигателей внутреннего сгорания оказались неприменимы.

В первых двигателях внутреннего сгорания для смазывания использовались самые различные материалы, от минеральных масел до растительных. Касторовое, или рициновое, масло в этой роли дожило до Первой мировой войны, в годы которой оно широко использовалось для смазки радиальных авиамоторов, а в СССР могло применяться и в конце 1920-х годов из-за дефицита нефтепродуктов; оно обеспечивало хорошую смазку благодаря высокой вязкости, но быстро засоряло двигатель нагарами и смолистыми отложениями, ввиду чего требовалась его очень частая — каждые 500…600 км — разборка для очистки. Со временем, однако, доминирующее положение окончательно заняло минеральное (нефтяное) масло, получаемое из нефти путём дистилляции по топливно-масляному варианту (масляный дистиллят нефти, получаемый вакуумной перегонкой мазута или смеси гудрона с мазутом).

Вплоть до 1930-х — 40-х годов все моторные масла представляли собой чистое минеральное масло без каких либо добавок (автол), аналогичное обычному машинному маслу, используемому для смазки станков. Качество масла определялось степенью его очистки — хорошо очищенные масла имели золотисто-медовый или янтарный оттенок и высокую прозрачность, они содержали меньше вредных для двигателя примесей и оставляли в нём меньше отложений. Изначально для очистки смазочных масел использовался известный ещё с середины XIX века кислотный метод, в ходе которого масло обрабатывалось концентрированной серной кислотой, расщеплявшей содержащиеся в нём непредельные углеводороды и азотистые основания, а затем остатки кислоты нейтрализовались щёлочью. При кислотно-контактной очистке масло после обработки кислотой подвергалось дополнительной обработке белой глиной, адсорбирующей высокомолекулярные асфальто-смолистые соединения, что давало более качественный продукт. С 1920-х — 30-х годов постепенно начинает получать распространения очистка масел селективными растворителями (фенольная, фурфурольная), которая позволяла получать масла ещё более высокого качества, в первую очередь — обладающие более высокой стабильностью.

Тем не менее, даже наиболее качественные масла тех лет при работе в мало-мальски форсированных моторах ввиду своей низкой термоокислительной стабильности очень быстро окислялись, особенно при работе в зоне поршневых колец, что вызывало накопление в двигателе высокотемпературных (лаки, нагары) и низкотемпературных (шламы) отложений, закоксовывание (пригорание) поршневых колец, а также коррозию постелей коренных подшипников коленчатого вала из-за накопления в масле образующихся при его окислении органических кислот. Накопление отложений, в свою очередь, приводило к снижению компрессии, ухудшению теплоотвода, повышению износа и целому ряду других негативных явлений. Само масло быстро старело из-за накопления в нём загрязнений и продуктов окисления и износа, причём загрязнения в его составе быстро слипались в крупные асфальто-смолистые частицы, резко затрудняющие фильтрацию. Поэтому интервалы между заменой масла в двигателе были очень малы — менее 1000 км пробега, а в авиации — несколько десятков часов. Систему смазки двигателей приходилось периодически промывать маловязким (веретённым) маслом, а сам двигатель — регулярно разбирать для удаления отложений в камере сгорания, на поршнях и в масляном картере.

Особенно большие проблемы возникали при эксплуатации дизельных двигателей, в которых из-за более жёсткого теплового режима особо остро стояла проблема закоксовывания поршневых колец и потери компрессии, что в случае дизеля, в котором воспламенение рабочей смеси происходит за счёт её сжатия, приводило сначала к резкому ухудшению пусковых свойств, а затем и полной потере работоспособности. Конструктивные меры, вроде использования принудительного масляного охлаждения днищ поршней специальными форсунками, помогали мало.

Основной мерой борьбы с закоксовыванием колец и образованием отложений стало легирование масел присадками — введение в базовое масло специальных химических соединений для улучшения его свойств в периоды эксплуатации и хранения. Первые масла с присадками появились в начале — середине 1930-х годов и предназначались именно для дизельных моторов. Считается, что первую коммерческую присадку к моторному маслу выпустила в 1935 году компания Chevron под брендом Oronite, это была детергентная, или моющая, присадка на основе фосфонатов, препятствующая появлению отложений на поршневых кольцах дизельных двигателей, работающих в тяжёлых условиях (моющими свойствами моторного масла называется его способность сохранять чистоту поршня и поршневых колец, а не отмывать уже существующие отложения).

Впоследствии появились и другие типы присадок к смазочным маслам: противоокислительные, предотвращающие окисление масла; противоизносные и противозадирные, уменьшающие износ деталей двигателя, работающих без смазки под давлением, в условиях граничного трения, вроде кулачков распределительного вала и толкателей клапанов; противокоррозионные (ингибиторы), замедляющие коррозию вкладышей подшипников скольжения; противопенные, предотвращающие повышенное вспенивание масел, вызванное введением в него присадок; и другие.

Важнейшее значение имело также появление диспергирующих присадок (диспергентов), предотвращающих выпадение содержащихся в масле загрязнений в осадок и образование в нём крупных смолистых частиц, способных закупорить масляную магистраль или поры фильтрующего элемента, что позволило применить в системе смазки двигателя полнопоточный масляный фильтр, через который при каждом обороте проходило 100 % масла, содержащегося в системе. Это существенно улучшило его очистку и предотвратило накопление загрязнений в системе смазки, бывшее неизбежным при использовании неполнопоточных фильтров, с которыми до 90 % масла возвращалось в систему без очистки. В результате интервал между заменами масла в двигателе удалось увеличить в несколько раз — с 1…2 до 6…10 тыс. км пробега (при нормальных и лёгких условиях эксплуатации).

Присадки-депрессоры позволили создать зимние масла, сохраняющие текучесть при низких температурах, а полимерные модификаторы вязкости (VII) сделали возможными всесезонные моторные масла, сохраняющие свои свойства в широком диапазоне температур и сочетающие низкую температуру застывания с высокой высокотемпературной вязкостью.

Со временем вместо присадок, выполняющих какую либо одну функцию, стали появляться присадки комплексные, или многофункциональные, по своему функционалу заменяющие сразу несколько обычных. Многофункциональные присадки могут представлять собой как смесь присадок, так и сложные органические соединения, способные выполнять сразу несколько функций за счёт наличия в их составе полярных функциональных групп, серы, фосфора, металлов.

Например, разработанная в СССР присадка ВНИИ НП-360 (продукт взаимодействия алкилфенолята бария и диалкилфенилдитиофосфата цинка в соотношении 2,5:1,0) обладала одновременно антикоррозионными, антиокислительными, противоизносными, моющими (детергентными) и диспергирующими (разделяющими) свойствами; присадка ДФ-11 обладала противоизносным, моющим, противоокислительным и противокоррозийным действием; и так далее. В настоящее время практически все присадки к моторным маслам являются комплексными.

МОТОРНОЕ МАСЛО — важный элемент конструкции двигателя. Оно может длительно и надежно выполнять свои функции, обеспечивая заданный ресурс двигателя, только при точном соответствии его свойств тем термическим, механическим и химическим воздействиям, которым масло подвергается в смазочной системе двигателя и на поверхностях смазываемых и охлаждаемых деталей. Взаимное соответствие конструкции двигателя, условий его эксплуатации и свойств масла — одно из важнейших условий достижения высокой надежности двигателей. Современные моторные масла должны отвечать многим требованиям, главные из которых перечислены ниже:

· высокие моющие, диспергирующе-стабилизирующие и солюбилизирующие способности по отношению к различным нерастворимым загрязнениям, обеспечивающие чистоту деталей двигателя за счёт предотвращения осаждения на них загрязнений, находящихся в составе масла;

· высокие термическая и термоокислительная стабильности позволяют использовать масла для охлаждения поршней, повышать предельный нагрев масла в картере, увеличивать срок замены;

· достаточные противоизносные свойства, обеспечиваемые прочностью масляной пленки, нужной вязкостью при высокой температуре и высоком градиенте скорости сдвига, способностью химически модифицировать поверхность металла при граничном трении и нейтрализовать кислоты, образующиеся при окислении масла и из продуктов сгорания топлива,

· отсутствие коррозионного воздействия на материалы деталей двигателя как в процессе работы, так и при длительных перерывах;

· стойкость к старению, способность противостоять внешним воздействиям с минимальным ухудшением свойств;

· пологость вязкостно-температурной характеристики, обеспечение холодного пуска, прокачиваемости при холодном пуске и надежного смазывания в экстремальных условиях при высоких нагрузках и температуре окружающей среды;

· совместимость с материалами уплотнений, совместимость с катализаторами системы нейтрализации отработавших газов;

· малая вспениваемость при высокой и низкой температурах;

· малая летучесть, низкий расход на угар (экологичность).

К некоторым маслам предъявляют особые, дополнительные требования. Так, масла, загущённые макрополимерными присадками, должны обладать требуемой стойкостью к механической термической деструкции; для судовых дизельных масел особенно важна влагостойкость присадок и малая эмульгируемость с водой; для энергосберегающих — антифрикционность, благоприятные реологические свойства.

Для двухтактных бензиновых двигателей применяются специально предназначенные для них масла.

 

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МОТОРНЫХ МАСЕЛ

· Вязкость — одно из важнейших свойств масла, определяющее его применимость в двигателях различных типов. Различают динамическую, кинематическую и техническую вязкость. Динамическая вязкость обусловлена внутренним трением между движущимися слоями масла и измеряется в пуазах (П). Кинематическая вязкость — определяется как отношение динамической вязкости к плотности при той же температуре и измеряется в сантистоксах (сСт). Техническая, или условная вязкость определяется как отношение времени истечения из вискозиметра 200 мл масла, взятого в секундах, ко времени истечения из того же вискозиметра при тех же условиях 200 мл воды. В настоящее время для оценки этого свойства масла как правило используется индекс вязкости, характеризующий пологость кривой зависимости кинематической вязкости масла от температуры.

· Коксуемость — определяет склонность масла к образованию нагаров и смол. Низкую коксуемость имеют хорошо очищенные масла. В ходе эксплуатации автомобиля коксуемость масла, залитого в его двигатель, повышается из-за процессов окисления и смолообразования. Склонность масла к образованию нагара характеризует его коксовое число, определяемое по результатам испарения 10 г масла в безвоздушной среде. Для маловязких масел коксуемость обычно составляет не более 0,1 — 0,15 %, для масел с большой вязкостью — до 0,7 %.

· Зольность — характеризует наличие в масле оставшихся после его очистки или содержащихся в составе присадок минеральных веществ, которые при сгорании масла образуют золу. Масло с высокой зольностью имеет высокую склонность к нагарообразованию. Как правило, высокую зольность имеют либо плохо очищенные масла, либо масла с устаревшими пакетами присадок (например — моющими присадками класса сульфонатов, образующими при сгорании очень твёрдую и абразивную сульфатную золу). Зольность моторного масла выше 1 % считается высокой, старые масла с присадками могли иметь зольность до 3…4 %.

· Содержание механических примесей, увеличивающих износ двигателя и способных засорять масляные каналы и фильтры. Наличие в масле механических примесей как правило является следствием низкой культуры производства и хранения масла. В ходе эксплуатации автомобиля оно повышается из-за накопления продуктов износа (в первую очередь вкладышей коленчатого вала).

· Содержание воды — вода является вредной примесью, способствующей образованию эмульсии (пены), что ухудшает смазывание двигателя из-за забивания каналов, а также способствует шламообразованию.

· Щелочное число — характеризует содержание в масле водорастворимых кислот и щелочей, что определяет его корродирующее действие на металлы и моющую способность. Выражается через количество гидроксида калия (KOH) на грамм масла (мгКОН/г). В ходе эксплуатации автомобиля содержание кислот в масле повышается, а его щелочное число падает, что связано с повышением его коррозионной активности и ухудшением моющих свойств.

· Моющие свойства масла — его способность препятствовать появлению тёмных лаковых отложений на юбке и боковой поверхности поршня. Определяются качеством очистки базового масла, его щелочным числом, а также содержанием и уровнем качества моющих, диспергирующих и иных присадок, удерживающих загрязнения в составе масла и препятствующих их осаждению на поверхности деталей.

· Температура вспышки — характеризует наличие в масле легкокипящих фракций, что определяет его склонность к сгоранию и нагарообразованию при соприкосновении с раскалёнными деталями двигателя. Хорошие масла характеризуются высокой температурой вспышки. В ходе эксплуатации падает из-за разжижения масла.

· Температура застывания — определяет момент потери маслом подвижности, то есть, способности вести себя как жидкость. Пуск двигателя возможен лишь при температуре большей температуры застывания масла.

· Цвет масла и его прозрачность — отчасти характеризуют качество масла. Раньше, когда в ходу были исключительно минеральные масла без присадок, качество масел в рамках одного и того же сорта определяли по его цвету: хорошо очищенные масла имели золотисто-медовый или янтарный цвет и высокую прозрачность, плохо очищенные — тёмный коричневый, вплоть до почти чёрного. В настоящее время данный признак не является определяющим при определении качества моторного масла, поскольку современные масла могут иметь широкий спектр цветов, в зависимости от типа базового масла и состава пакета присадок. В ходе эксплуатации масла оно темнеет, что является следствием окисления базового масла и накопления в нём загрязнений.

ОЦЕНКА СВОЙСТВ МАСЕЛ

Свойства масел оцениваются путём специальных лабораторных испытаний.

О коррозионной активности масла судят по его химическому анализу, выявляющему содержание щелочей, кислот, солей металлов и иных веществ, катализирующих коррозионные процессы. Также используется тест со свинцовой пластинкой, подвергающейся воздействию масла, нагретого до температуры в 140°С в атмосферном воздухе. Коррозионная активность масла определяется в г/м².

УСЛОВИЯ РАБОТЫ МОТОРНЫХ МАСЕЛ

Условия работы моторного масла в различных зонах двигателя резко различаются по температуре и прочим параметрам. Обычно выделяют три характерные зоны работы моторного масла: камера сгорания цилиндра, сопряжение «цилиндр-поршень» и картер.

Прочный серый нагар на выпускном клапане. Двигатель М-21, 1961 г/в.

В камере сгорания, куда масло попадает через неплотности поршневых колец и уплотнений впускных клапанов, температура достигает 2000°С и выше, при этом масло подвергается активному окислению и частично сгорает, образуя золу и кокс, а частично — смешивается со смолистыми осадками топлива, в результате образуя твёрдые коксообразные отложения — нагар — на стенках камеры сгорания, днищах поршней, клапанах, выступающих в камеру сгорания частях свечей зажигания и верхних поршневых кольцах.

Нагарообразование идёт более интенсивно в двигателях с низкой температурой в камере сгорания, что определяется как конструктивными параметрами, так и условиями эксплуатации — при работе двигателя только в режимах частичных нагрузок, длительных прогревах, частых запусках и остановках, отклонении состава топливной смеси в сторону обогащения и переохлаждении двигателя нагарообразование резко увеличивается. В двигателях, работающих с частыми запусками и остановками, образуется специфическая форма нагара, имеющая тёмный цвет, зернистую структуру и высокую твёрдость. В таком нагаре содержится большое количество металлических частиц и пыли, а также кокса.

При высокой температуре в камере сгорания, в особенности при работе двигателя в режиме, близком к полной мощности, происходит самоочищение от нагара за счёт сгорания последнего. В двигателях, продолжительно работающих при высоких оборотах и под большой нагрузкой, нагар рыхлый порошкообразный, серого цвета, толщина его слоя не превышает 1 мм.

При наличии нагара в камере сгорания бензиновый двигатель становится чувствительным к октановому числу топлива, что требует использования бензина с более высоким октановым числом, чем предписано инструкцией. Нагар на электродах свечей нарушает работу системы зажигания, а его твёрдые частицы, попадающие в масло, в особенности — обладающая высокими абразивными качествами сульфатная зола, образующаяся при сгорании некоторых присадок (в основном моющих), повышают механический износ двигателя. При наличии большого количества нагара из-за его изолирующего действия температура деталей, прилегающих к камере сгорания, может повыситься до такой степени, что возникают процессы калильного зажигания (самовоспламенения топлива) и детонации, в результате чего может происходить оплавление поршней и прогорание выпускных клапанов.

Дизельные двигатели менее чувствительны к нагарообразованию. Тем не менее, и в них сильное нагарообразование может привести к закоксовыванию форсунок, пригоранию поршневых колец, зависанию и прогару клапанов, что вызывает снижение мощности и повышение интенсивности износа.

В сопряжении «цилиндр-поршень» масло находится в виде тонкой плёнки, которая подвергается воздействию достаточно высоких (200—300° С) температур. Лёгкие фракции масла при этом частично испаряются, а частично — окисляются, образуя тёмные лаковые отложения на юбке и внутренних поверхностях поршня, в проточках для поршневых колец и на верхней головке шатуна. Резкое усиление лакообразования наблюдается при наличии прорыва газов из камеры сгорания через поршневые кольца. Лаковые отложения нарушают теплоотвод от деталей поршневой группы, приводя к их перегреву и пригоранию поршневых колец, вызывающему падение компрессии, а в дизеле — затруднённый пуск вплоть до полной невозможности запуска. При работе на маслах без моющих присадок цвет лаковых отложений тёмно-коричневый до чёрного, при большой интенсивности лакообразования (4-6 баллов). Масла с моющими присадками могут оставлять умеренное количество светло-коричневого лака (1-2 балла), а при определённых условиях и полностью предотвращают лакообразование (0-1 балл).

В картере двигателя температура обычно составляет порядка 50…100°С, при этом масло практически не повергается окислению. Однако при нагреве масла до 120°С и более, возникающем обычно из-за прорыва в картер горячих газов при плохой работе вентиляции картера, процессы его окисления резко ускоряются, начинается его термический распад и сгорание, повышается коррозионная активность масла из-за накопления в нём продуктов окисления и распада. Переохлаждение масла в картере при рабочей температуре двигателя ниже расчётной (например, при неисправности термостата) также опасно, так как при понижении его температуры ниже 35°С в картере двигателя и в масляных каналах происходит накопление шлама — липкой мазеобразной массы от серо-коричневого до чёрного цвета. Шлам состоит из масла, топлива и продуктов их окисления, воды, смолистых веществ, сажи, пыли, продуктов износа двигателя и тому подобного. В наихудшем случае шлам забивает сетку маслоприёмника, маслопроводы и масляные фильтры, нарушая подачу масла. Резкое повышение шламообразования происходит при попадании в масло воды, одной из причиной которого является конденсация пара при пониженной рабочей температуре двигателя и длительной работе на холостом ходу, особенно при неисправной или недостаточно эффективной вентиляции картера.