Окисление

В работающем двигателе горячее масло постоянно циркулирует и контактирует с воздухом, продуктами полного и неполного сгорания топлива. Кислород воздуха ускоря­ет окисление масла. Этот процесс происходит быстрее в маслах склонных к пенообразовамию. Металлические поверхности деталей выступают в роли катализаторов процесса окисления масла. Масло нагревается, соприкасаясь с нагретыми деталями (в первую очередь, с цилиндрами, поршнями и клапанами), что значительно ускоряет процесс окисления мас­ла. Результатом могут стать твердые продукты окисления (отложения).

На характер изменения масла в работающем двигателе оказывают влияние не толь­ко химические превращения молекул масла, но и продукты полного и неполного сгорания топлива, как в самом цилиндре, так и прорвавшиеся в картер.

Влияние температуры на окисление моторного масла. Выделяются два вида температурного режима двигателя:

• работа полностью прогретого двигателя (магистральный режим)

• работа непрогретого двигателя (частые остановки автомобиля).

В первом случае наблюдается высокотемпературный режим изменения свойств масла в двигателе, во втором - низкотемпературный. Существует множество промежуточных условий работы. При определении уровня качества масла, моторные испытания проводятся как в высокотемпературном, так и в низкотемпературном режимах.

Продукты окисления и изменение характеристик моторного масла Кислоты (acides). Наиболее существенными продуктами окисления масла являются кислоты. Они вызывают коррозию металлов, а на нейтрализацию образующихся кислот расходуются щелочные присадки, вследствие чего ухудшаются диспергирующие и моющие свойства и сокращается ресурс работы масла. Возрастание общего кислотного числа, TAN (total acid number) является основным показателем образования кислот. Кислотное число определяется методами потенциометрического (ASTM 664, ISO 6619-96, ГОСТ 11362-96) и колориметрического титрования (ASTM D 3339).

Углеродистые отложения в двигателе (carbon deposits). На горячих поверхностях деталей двигателя образуются разнообразные углеродистые отложения, состав и строение которых зависят от температуры поверхностей металла и масла. Различают три вида отложений:

• нагар,

• лак,

• шлам.

Необходимо подчеркнуть, что образование и накопление отложений на поверхностях деталей двигателя является результатом не только недостаточной окислительной и термической стабильности масла, но и недостаточной его моющей способности. Поэтому износ двигателя и снижение ресурса масла является комплексным показателем качества масла.

Нагар (varnish, carbon deposits) это продукты термической деструкции и полиме­ризации (cracking and polymerisation) масла и остатков топлива. Он образуется на сильно нагретых поверхностях (450-950 °С). Нагар имеет характерный черный цвет, хотя иногда может быть белого, коричневого или другого цвета. Толщина слоя отложений периодически изменяется - когда отложений много, ухудшается отвод тепла, повышается температура верхнего слоя отложений и они сгорают. Меньшее количество отложений образуется, в разогретом двигателе, работающем под нагрузкой. По структуре, отложения бывают монолитными, плотными или рыхлыми.

Нагар оказывает отрицательное влияние на работу и состояние двигателя. Отложения в канавках поршня вокруг колец препятствуют их движению и прижиманию к стенкам цилиндра (заклинивание, залипание, прихватывание колец (ring sticking). В результате заклинивания и затруднения движения колец, они не прижимаются к стенкам и не обеспечивают компрессию в цилиндрах, мощность двигателя падает, возрастает прорыв газов в картер и расход масла. Прижимание колец отложениями к стенкам цилиндра приводит к чрезмерному износу цилиндров (excessive wear).

Полирование стенок цилиндров (bore polishing) - отложения на верхней части поршней (piston top land) полируют внутренние стенки цилиндров. Полировка препятствует удержанию и сохраняемости масляной пленки на стенках и значительно ускоряет скорость износа.

Лак (lacquer). Тонкий слой твердого или клейкого углеродистого вещества от коричневого до черного цвета, который образуется на умеренно нагретых поверхностях вследствие полимеризации тонкого слоя масла в присутствии кислорода. Лаком покрываются юбка и внутренняя поверхность поршня, шатуны и поршневые пальцы, стержни клапанов и нижние части цилиндров. Лак значительно ухудшает отвод тепла (особенно поршня), снижает прочность и сохраняемость масляной пленки на стенках цилиндров.

Отложения в камере сгорания (combustion chamber deposits) образуются из час­тиц углерода (кокса), в результате неполного сгорания топлива и солей металлов входящих. в состав присадок в результате термического разложения остатков масла попадающих в камеру. Эти отложения накаляются и вызывают преждевременное возгорание рабочей смеси (до появления искры). Такое зажигание называется преждевременным или калильным зажиганием (preignition). Это создает дополнительные напряжения в двигателе (детона­ция), что приводит к ускоренному износу подшипников и коленчатого вала. Кроме того, перегреваются отдельные части двигателя, снижается мощность, повышается расход топлива.

Засорение свечей зажигания (spark plug fouling). Отложения, скопившиеся вок­руг электрода свечи, замыкают искровой промежуток, искра становится слабой, зажигание - нерегулярным. В результате этого снижается мощность двигателя и повышается расход топлива.

Смолы, шлам, смолистые отложения (осадки) (resins, sludge, sludgy deposits) в двигателе шлам образуется в результате:

• окисления и других превращений масла и его компонентов;

• накопления в масле топлива или продуктов разложения и неполного сгорания;

• воды.

Смолистые вещества образуются в масле в результате его окислительных превращений (сшивания окисленных молекул) и полимеризации продуктов окисления и неполного сгорания топлива. Образование смол усиливается при работе недостаточно прогрето­го двигателя. Продукты неполного сгорания топлива прорываются в картер двигателя при продолжительной работе на холостом ходу или в режиме стоп-старт. При высокой темпе­ратуре и интенсивной работе двигателя, топливо сгорает полнее. Для уменьшения смолообразования в моторные масла вводятся диспергирующие присадки, которые предотвращают коагуляцию и осаждение смол. Смолы, углеродистые частицы, водяной пар, тяжелые фракции топлива, кислоты и другие соединения конденсируются, коагулируют в более крупные частицы и образуют в масле шлам, т.н. черный шлам, (black sludge).

Шлам (sludge) - это суспензия и эмульсия в масле из нерастворимых твердых и смолистых мазеобразных веществ от коричневого до черного цвета. Состав картерного шлама:

• масло - 50-70 %,

• вода - 5-15%,

• горючие, продукты окисления масла и неполного сгорания горючего, твердые частицы - остальное.

В зависимости от температуры двигателя и масла, процессы шламообразования несколько различаются. Различают низкотемпературный и высокотемпературный шлам.

Низкотемпературный шлам (low temperature sludge). Образуется при взаимоимодействии в картере прорывных газов, содержащих остатки топлива и воды, с маслом. В разогретом двигателе вода и топливо испаряются медленнее что способствует образованию эмульсии, которая впоследствии превращается в шлам. Образование шлама в картере sludge in the sump) является причиной:

• возрастания вязкости (загустения) масла (viscosity increase);

• закупоривания каналов системы смазки (blocking of oil ways)',

• нарушение подачи масла (oil starvation).

Образование шлама в коробке распределительного механизма (rocker box) является причиной недостаточной вентиляции этой коробки (foul air venting). Образовавшийся шлам шляется мягким, рыхлым, однако при нагреве (при продолжительной поездке) становится 'Нердым и хрупким.

Высокотемпературный шлам (high temperature sludge). Образуется в результате соединения между собой окисленных молекул масла под влиянием высокой температуры. Увеличение молекулярной массы масла приводит к повышению вязкости.

В дизельном двигателе образование шлама и увеличение вязкости масла вызывается накоплением сажи. Образованию сажи способствуют перегрузки двигателя и увеличение жирности рабочей смеси.

Расход присадок. Расход, срабатывание присадок является определяющим процессом снижения ресурса масла. Наиболее важные присадки моторного масла - моющие, диспергирующие и нейтрализующие, расходуются на нейтрализацию кислотных соединений, одерживаются в фильтрах (вместе с продуктами окисления) и разлагаются при высоких теммпературах. О расходе присадок косвенно можно судить по уменьшению общего щелочного числа TBN. Кислотность масла повышается вследствие образования кислотных продуктов окисления самого масла и серосодержащих продуктов сгорания топлива. Они реагируют с присадками, щелочность масла постепенно уменьшается что приводит к ухудшенню моющих и диспергирующих свойств масла.

Влияние увеличения мощности н форсирования двигателя. Противоокислительные и моющие свойства масла особенно важны при форсировании двигателей. Бензиновые двигатели форсируются путем увеличения степени сжатия и частоты вращения коленчатого вала, а дизельные - увеличением эффективного давления (в основном при помощи гурбонаддува) и частоты вращения коленчатого вала. При увеличении частоты вращения коленчатого вала на 100 оборотов в минуту или при повышении эффективного давления на 0,03 МПа, температура поршня увеличивается на 3 °С. При форсировании двигателей обычно уменьшают их массу, что приводит к увеличению механических и тепловых нагрузок на детали.