Тема 8. Оценка эксплуатационных свойств моторных масел
8.1 Методы оценки качества смазочных масел
При оценке качеств смазочных масел используются многочисленные физико-химические показатели. Установлено, что добавление присадок к маслу для повышения эксплуатационных свойств ухудшает ряд этих параметров. В связи с этим многие физико-химические показатели масла характеризуют не его эксплуатационные качества, а в основном сырьё, из которого оно изготовляется и технологию производства.
Для более объективной и правильной оценки качества масел с присадками следует применять показатели, характеризующие эксплуатационные качества масла: противокоррозионные, антиокислительные, противоизносные, противонагарные и др. Для этого созданы специальные лабораторные приборы, имитирующие работу масла, действующие модельные установки, одноцилиндровые и полноразмерные двигатели.
Процесс оценки качества смазочных масел состоит из следующих этапов: лабораторных исследований, испытаний на модельных установках и малоразмерных одноцилиндровых двигателях, стендовых испытаний на полноразмерных двигателях, эксплуатационных испытаний на машинах.
8.2 Вязкостные свойства масел
Вязкость - один из важнейших показателей, характеризующих пригодность масла для применения. Определенная вязкость нужна для образования смазочного слоя между трущимися поверхностями. Для этого лучше использовать масла с большей вязкостью. Однако увеличение вязкости масла ведет к повышению непроизводительных потерь мощности двигателя на трение, снижению КПД. Поэтому вязкость масла должна быть минимальной, но достаточной для создания жидкостного трения. Кроме того, вязкость определяет низкотемпературные свойства масла, т.е. способность обеспечивать легкий пуск двигателя при низких температурах окружающей среды и надежную подачу масла к коренным и шатунным подшипникам в период пуска и прогрева двигателя. С изменением температуры масла в значительной степени изменяется его вязкость.
Вязкостные свойства являются важнейшим показателем, по которому выбирают масло. Величина вязкости определяет смазочные и противоизносные свойства адсорбированной граничной пленки масла, затраты энергии на пуск холодного двигателя и циркуляции. Данный параметр по нижнему пределу ограничен возможностью снижения несущей способности масляного слоя и увеличением опасности нарушения заданного режима смазки на пусковых и переходных режимах работы двигателя, а по верхнему пределу ограничен увеличением энергетических потерь на трение и преодоление гидродинамических сопротивлений в трактах подачи масла, ухудшением его подачи к поверхностям трения. Среди условий пуска при низких температурах существует понятие критической вязкости масла – вязкости, при которой индикаторная мощность, развиваемая двигателем, равна мощности, необходимой для преодоления сопротивления трения, обусловленного вязкостью масла.
Изменение вязкости масла по температуре определяется его вязкостно-температурной характеристикой (ВТХ) (рис. 5), которая регламентируется следующими двумя способами. Первый - ограничение вязкости по нижнему пределу при высокой температуре (не ниже) и по верхнему пределу (не выше) при низкой температуре, ограничение (не более) отношения вязкостей при различных температурах. Второй – ограничение (не более) температурного коэффициента вязкости (ТКВ) в диапазоне температур 0 – 1000С, определяемого по формуле
ТКВ=(n0 - n100)/n50, ()
где n0,n100,n50 - соответственно величины вязкости масла при значениях температур 0, 100, 500С.
 | |||||
 | |||||
|
Способ оценки ВТХ – показатель индекса вязкости ИВ, который основан на сравнении ВТХ исследуемого масла и двух эталонных масел. Одно из них отличается высоким значением градиента изменения вязкости по температуре (ИВ равен нулю). Другое эталонное масло имеет малый градиент изменения вязкости по температуре (ИВ равен 100). Чем выше ИВ масла, тем меньше изменяется его вязкость по температуре, тем более оно пригодно для эксплуатации в зимних условиях.
Храктерной особенностью нефтяных масел является застывание при понижении температуры до определенного предела. Температура, при которой масло теряет подвижность, называется температурой застывания. Способность масла не терять подвижность до определенных температур определяется его депрессорными свойствами. Присадки, вводимые в масло с целью понижения температуры его застывания - депрессорные.
Вязкостно-температурные свойства масел оценивают индексом вязкости. Чем выше индекс вязкости масел, тем в меньшей степени изменяется его вязкость с изменением температуры, а значит, выше его качество. Такое масло при высоких температурах надёжно смазывает трущиеся детали, а при низких обеспечивает легкий пуск двигателя и имеет хорошую прокачиваемость. Индекс вязкости масла определяют с помощью номограмм.
8.3 Термоокислительная стабильность масел
Склонность смазочных масел к образованию на деталях лаков и нагаров является
важнейшим показателем эксплуатационных свойств масла. Этот показатель определяют по термоокислительной стабильности масла, его моторной испаряемости и моющим свойствам.
На высоконагретых деталях двигателя образуются отложения (нагары, лаки). Нагарами называются углистые отложения, которые образуются на стенках камеры сгорания, днищах поршней, клапанах, форсунках и свечах. Лаки, или лаковое отложение, представляет собой тонкие и прочные пленки, образующиеся на поршневых кольцах, канавках и юбках поршней, шатунах и других деталях.
Процесс нагарообразования заключается в том, что образующиеся в результате окисления и окислительной полимеризации смолисто- асфальтовые вещества откладываются на поверхностях деталей и удерживают продукты неполного сгорания топлива, механические и другие примеси. Под воздействием высокой температуры процесса сгорания рабочей смеси эти продукты закоксовываются и частично сгорают. Толщина образующегося слоя со временем увеличивается, ухудшается теплоотвод, что приводит к повышению температуры. В этих условиях часть нагара начинает гореть. При достижении определенной толщины слоя нагара устанавливается фаза равновесного состояния, при которой скорости образования и сгорания нагара равны. Толщина слоя нагара на деталях может быть различной и зависит от режима работы двигателя. При режиме его полной нагрузки слой нагара меньше, чем при малонагруженном режиме с более низкой температурой деталей. Нагарообразование в двигателе зависит от полноты сгорания топлива, качества масла и топлива, их загрязненности, пыли, попадающей с воздухом.
На лакообразование в зоне поршневых колец и поршне в карбюраторных двигателях влияет качество топлива и моторного масла, в дизелях преимущественно качество масла. Образование лаковых пленок происходит тем интенсивнее, чем более склонно масло к окислению и окислительной полимеризации. Прочность пленок зависит от образования оксикислот и смолисто-асфальтовых веществ. Образование лаковых пленок на поверхностях деталей происходит следующим образом. На поверхности высоконагретой детали происходят окисление тонкого слоя масла, коагуляция на поверхности детали из масла твердых продуктов окисления и сгорания топлива, конденсация продуктов окисления топлива и масла из продуктов сгорания рабочей смеси. При повышении содержания серы в топливе повышаются отложения, они становятся более плотными и трудноудалимыми.
Для уменьшения отрицательного воздействия нагара и лака к маслам добавляют
моющедиспергирующие и антиокислительные присадки. Эксплуатационные свойства таких масел оценивают по загрязненности деталей цилиндропоршневой группы.
8.4 Противокоррозионные и противоизносные свойства масел
Коррозия черных и особенно сплавов цветных металлов характеризуется последовательным протеканием следующих процессов: появлением на рабочей поверхности шероховатых точек и пятен; концентрацией коррозионных точек в области появившихся пятен; образованием в местах концентрации коррозионных точек небольших раковин, уходящих в глубь материала; появлением трещин, соединяющих образовавшиеся раковины; выкрашиванием материала по образовавшимся трещинам.
Противоизносные свойства масла характеризуют его способность уменьшать износы сопряженных трущихся деталей. Основными показателями масла, обуславливающими эти свойства, являются вязкость и смазывающая способность.
На противоизносные свойства смазочного масла большое влияние оказывают механические примеси, особенно абразивные. Поэтому при эксплуатации двигателей
следует исключить возможности попадания в смазочное масло абразивов (дорожной пыли с воздухом, при техническом обслуживании и т.д.).
Тема 9. Влияние различных факторов на изменение качества масла в двигателе, классификация и марки масел
9.1 Условия работы и факторы, влияющие на изменения качества моторного масла
Необходимыми условиями надежной и долговечной работы двигателя являются
непрерывное высококачественное смазывание его трущихся деталей, отвод от них теплоты и зашита от коррозии.
Условия работы моторного масла в двигателе характеризуются многообразием и
широким диапазоном изменения различных воздействий. Так температура масла в
картере может изменяться вместе с температурой окружающего воздуха, отклоняясь от нуля в ту и другую стороны на несколько десятков градусов и в зависимости от режима работы двигателя достигать 80 - 120°С. Весьма широк диапазон температур при смазке поршня. В нижней его части температура равна 150 - 250°С, на внутренней поверхности доходит до 340 - 370°С, а в верхней части - 400°С. В момент воспламенения рабочей смеси температура в камере сгорания достигает 1700-2200°С и выше.
Масло в картере при работе находится в туманообразном состоянии, что создает
условия для его интенсивной аэрации. Масло также воспринимает высокие удельные нагрузки от шестерен масляного насоса, шатунных и коренных подшипников коленчатого вала, опорных шеек распределительного вала. Определенное влияние на смазочное масло оказывают кислород воздуха, продукты сгорания, каталитическое воздействие различных металлов и сплавов, нагрузка двигателя и т.д. Для обеспечения в этих условиях надежной смазки деталей двигателя масло должно в течение длительного периода сохранять свои свойства, не подвергаться окислению, не загрязняться различными примесями, не образовывать отложений, устойчивых к выделению низкотемпературных осадков, способных забивать маслоприемные сетки масляных насосов, фильтрующие устройства и маслопроводы. Рассмотрим влияние отдельных факторов на изменение качества моторного масла и на условия смазки.
9.2 Влияние отдельных факторов на окисление моторного масла
На процесс окисления моторного масла главным образом влияет кислород. Первым продуктом этого процесса являются перекиси, которые затем образуются различные продукты более глубокого окисления. Ароматические углеводороды с короткими боковыми цепями образуют различные нейтральные соединения, находящиеся в масле как в растворенном состоянии (фенолы, смолы), так и выпадающие в осадок (асфальгены, карбены). Углеводороды парафинового и нафтенового рядов, а также ароматические с длинными боковыми цепями окисляются с образованием кислых продуктов (асфальтогенновые кислоты, карбоиды оксикислот). С повышением температуры значительно ускоряются процессы окисления. Наибольшая окисляемость масла находится в интервале 130 - 150°С. Начальная стадия окисления характеризуется так называемым индукционным периодом, в течение которого свойства масла можно считать неизменным. Продолжительность индукционного периода у масел разный. После индукционного периода наблюдается интенсивное окисление масла, а затем этот процесс стремится к стабилизации. Продукты окисления претерпевают расщепление, конденсацию, полимеризацию. Большое влияние на скорость диффузии кислорода в масло и степень его окисления оказывает площадь поверхности окисляемого масла. В двигателе, где происходят распыливание, разбрызгивание масла и многократная его циркуляция, процесс окисления значительно ускоряется.
Наименее устойчивыми к действию кислорода при высоких температурах являются парафиновые, а также нафтеновые углеводороды с большим количеством циклов. Ароматические углеводороды в смеси с нафтенами защищают их от окисления. Свинцовистая бронза оказывает более интенсивное воздействие на процесс
окисления масла, чем оловянистый баббит.
Нейтральные продукты окисления способствуют главным образом лако- и нагарообразованию, а кислые продукты (органические кислоты), взаимодействуя с металлом, вызывают коррозию. Промежуточные продукты окисления (перекиси) взаимодействуют с металлом по образованию окиси металла, которая затем, реагируя с кислотой, дает соль.
Масла с кислотностью до 1,5мг КОН при отсутствии воды оказывают незначительное воздействие на сталь и чугун, но кислотность порядка 0,5 - 0,8мг КОН уже достаточна для вымывания свинца из подшипниковых сплавов.
9.3 Влияние прокачиваемости масла на изменение его качества
При хорошем техническом состоянии двигателя на смазку его деталей идет примерно 20 - 25% масла, подаваемого насосом, остальная часть через перепускной клапан возвращается в картер. По мере увеличения зазоров в сопряжениях, объем масла, прокачиваемого в систему смазки увеличивается. Повышенная подача в ведет к дополнительному окислению моторного масла.
Изменения щелочности и кислотности масла в двигателе Д-50 (при нагрузке 80%
номинальной) в зависимости от подачи масляного насоса представлены на рис.9.1.
Изменение содержания механических примесей и несгораемого остатка в моторном масле в зависимости от подачи насоса при работе двигателя в течение 100 часов представлено на рис. 9.2………………………………………………………………
Рис. 9.1 Изменение щелочности и кислотности масла в двигателе Д-50 в зависимости от подачи масляного насоса: 1-40 л/мин; 2-28,7; 3-8,2. -щелочность; —
кислотность.
Приведенные данные свидетельствуют о значительном влиянии работы масляного насоса на изменение качества моторного масла………………………………….
Рис. 9.2. Изменение содержания механических примесей и несгораемого остатка в
моторном масле двигателя Д-50 в зависимости от подачи насоса:, 1-40 л/мин; 2-28,7; 3-8,2— . механические примеси; несгораемый остаток.
9.4 Влияние объема системы смазки двигателя на изменения качества масла
Объем системы смазки двигателя существенным образом влияет на изменение качества моторного масла. Уменьшение объема масла в системе смазки приводит к более интенсивному его изменению (рис. 9.3)…. Это объясняется увеличением кратности прокачивания масла и восприятием им больших тепловых и удельных нагрузок (в расчете на единицу объема масла). Чем меньше объем масла в системе смазки, тем больше лако- и нагароотложений на поршне двигателя. Следовательно, вместимость системы смазки нужно выбирать с учетом изменения качества моторного масла, а при эксплуатации машин необходимо поддерживать оптимальный заданный уровень масла в картере двигателя………………………………………
Рис. 9.3 Изменение показателей моторного масла в двигателе Д-50 в зависимости
от объема системы смазки: 1-16л; 2-12л; 3-8л. -щелочность;—кислотность.
9.5 Влияние загрузки двигателя на изменение качества моторного
масла
Степень загрузки двигателей зависит от выполняемого технологического процесса. На сельскохозяйственных работах двигатель загружен на 70 - 90%, на транспортных – 30 - 60% номинальной мощности.
Оценка состояния моторного масла после определенного времени работы траспорта на различных технологических операциях дает возможность выявить оптимальные сроки замены масла.
Процесс накопления механических примесей в моторном масле проходит тем
интенсивнее, чем выше загрузка двигателя (рис 9.4)……
Чем выше загрузка, тем более интенсивно протекают процессы окисления (рис
9.5)...Содержание в масле нерастворимых продуктов (асфальгены, карбены, карбоиды,продукты износа и др.) повышается с повышением нагрузки двигателя, особенно резко возрастает оно при нагрузке более 80% номинальной (см. рис. 9.5)….
С увеличением загрузки двигателя интенсивнее происходит процесс срабатывания присадки в моторном масле…….
Рис.9.4 Изменение накопления в моторном масле механических примесей в
зависимости от загрузки двигателя Д.-50. 1, 2, 3, 4- соответственно при загрузке 20, 60, 80 и 100% номинальной…..
Рис. 9.5 Содержание в моторном масле за 100 ч работы нерастворимых продуктов
в зависимости от заге 20, 60, 80 и 100% номинальной…..
Рис. 9.5 Содержание в моторном масле за 100 ч работы нерастворимых продуктов
в зависимости от загрузки двигателя Д-50.
9.6 Классификация моторных масел
Система обозначений моторных масел установлена ГОСТ 17479.1-85 и включает несколько знаков: букву М (моторное), цифру, характеризующую класс кинематической вязкости и букву (з – загущенное, п – с присадками), обозначающую принадлежность к группе по эксплуатационным свойствам. В зависимости от кинематической вязкости масла подразделяют на классы (табл. 5). Дробные классы указывают, что по вязкости при температуре -18°С масла соответствует классу, указанному в числителе, а по вязкости при 100°С классу, указанному в знаменателе.