Химмотология смазочных материалов

 

3.1 Моторные масла

 

Требования к моторным маслам. Общими тенденциями развития двигателестроения являются: увеличение соотношения мощности к объёму двигателя (далее литровая мощность) повышение экономичности и надежности, улучшение пусковых свойств, уменьшение массогабаритных показателей. Решение любой из этих проблем тесно связано с вопросами применения моторных масел. Для обеспечения надежной работы двигателей, применяемые в них масла должны обладать определенными эксплуатационными свойствами:

- хорошими смазочными свойствами для обеспечения надежной смазки на всех режимах работы двигателя;

- оптимальными вязкостно-температурными свойствами (для обеспечения пуска холодного двигателя и нормальной работы при рабочих температурах);

- достаточной антиокислительной стабильностью, предотвращающей значительные изменения химического состава в процессе его работы;

- хорошими моюще-диспергирующими свойствами, предотвращающими образование лаков, сажи, нагаров на нагретых деталях двигателя;

- высокими противокоррозионными свойствами по отношению к конструкционным материалам, особенно цветным металлам и сплавам при рабочих температурах масла;

- устойчивостью к процессам испарения с целью обеспечения наименьшего его расхода;

- малой пенообразующей способностью и высокой физической стабильностью к выпадению присадок.

 

3.1.1 Способы получения моторных масел

 

Смазочные, моторные и трансмиссионные масла получают из той части нефти, которая остается после отгонки топливных фракций. Эта часть нефти называется мазутом.

Если нагревать мазут при атмосферном давлении, то многие индивидуальные углеводороды начинают разлагаться при более низкой температуре, чем их температура кипения. При понижении давления понижается температура кипения, что позволяет выделить нужные фракции. Процесс этот называется вакуумной разгонкой. Для его реализации сооружаются специальные установки, позволяющие из мазута получать различные по вязкости масла. Особенно четко удается произвести разгонку в установках с двукратным испарением, применяемым в современных нефтеперерабатывающих комплексах. Эти масла называют дистиллятными маслами. Их получение предусматривает перегонку или испарение с последующей конденсацией отдельных фракций жидкостей или их смесей (в данном случае нефти или отдельных ее фракций).

В результате вакуумной перегонки получают базовые дистиллятные масла, а оставшиеся продукты (полугудрон и гудрон) используют для получения остаточных масел. Характерной особенностью дистиллятных масел являются их хорошие вязкостно-температурные свойства и высокая термоокислительная стабильность. Но в этих маслах мало соединений, обладающих высокой маслянистостью, т. е. прочностью масляной пленки.

Остаточные масла, наоборот, обладают высокой естественной маслянистостью, но плохими низкотемпературными и вязкостно-температурными свойствами. Высокая маслянистость остаточных масел связана с находящимися в них продуктами окислительной полимеризации (нефтяными смолами).

Существуют две схемы переработки мазута – топливная (для получения топлив) и масляная. При топливной получают только одну фракцию (350…500 °С), используемую обычно как базовый продукт для каталитического крекинга или гидрокрекинга. При масляной переработке – три фракции: легкие дистиллятные масла (выкипающие при 300…400 °С), средние дистиллятные масла (выкипающие при 400…450 °С) и тяжелые дистиллятные масла (выкипающие при 450…500 °С).

Для получения товарных марок масла подвергают сложным технологическим операциям. Для удаления нежелательных примесей масло очищают. Из него удаляют продукты окислительной полимеризации, органические кислоты, нестабильные углеводороды, серу и ее соединения. Для улучшения низкотемпературных свойств масла подвергают депарафинизации и деасфальтизации. Очищенные продукты при необходимости смешивают для получения нужного уровня вязкости. Дистиллятные масла используют для приготовления масел, от которых не требуется особо высокой естественной прочности масляной пленки. Остаточные – для масел, высокая маслянистость которых имеет особое значение. Например, для дизельных масел обычно смешивают дистиллятные и остаточные масла в необходимой пропорции.

Масла, используемые в качестве основных моторных масел, называют базовыми маслами.

Для получения всесезонных масел или масел для северных и арктических районов используют в качестве базовых масел глубоко депарафинизированные дистиллятные масла малой вязкости.

Одна из схем переаботки мазута для получения менерального моторного или трансмиссионного масла представлена на рис. 3.1.

Основную массу смазочных масел получают путем перегонки нефтяного мазута, однако, для современных двигателей требуются масла более высокого качества с заранее заданными эксплутационными свойствами. Такие масла называются синтетическими или полусинтетическими, их получают путем синтезирования определенных групп углеводородов с введением ряда
специализированных соединений.

 

Рис. 3.1. Схема переработки мазута для получения минерального моторного масла

 

Различают две группы синтетических масел. Одни из них обладают устойчивостью к воздействию высоких температур, низкой температурой застывания, и хорошими антикоррозийными свойствами. Вместе с тем смазывающая способность у них по сравнению с нефтяными несколько хуже. Они называются полисилоксановые масла.

Другой группой синтетических масел, является полиалкиленгликоли, это продукт конденсации двухатомных спиртов. Эти масла не образуют отложений на нагретых деталях двигателя, обладают хорошими смазывающими качествами и вязкостными свойствами, а также низкой температурой замерзания. Применение таких масел ограничено их высокой стоимостью.

Основную массу смазочных масел получают путем перегонки нефтяного мазута, однако, для современных двигателей требуются масла более высокого качества с заранее заданными эксплутационными свойствами. Такие масла называются синтетическими или полусинтетическими, их получают путем синтезирования определенных групп углеводородов с введением ряда специализированных соединений.

Различают две группы синтетических масел. Одни из них обладают устойчивостью к воздействию высоких температур, низкой температурой застывания, и хорошими антикоррозийными свойствами. Вместе с тем смазывающая способность у них по сравнению с нефтяными несколько хуже. Они называются полисилоксановые масла.

Другой группой синтетических масел, является полиалкиленглюколи, это продукт конденсации двухатомных спиртов. Эти масла не образуют отложений на нагретых деталях двигателя, обладают хорошими смазывающими качествами и вязкостными свойствами, а также низкой температурой замерзания. Применение таких масел ограничено их высокой стоимостью.

 

3.1.2 Эксплуатационные свойства моторных масел

Моторное масло должно надежно и длительно выполнять свои функции, обеспечивая заданный ресурс двигателя. Основные функции моторного масла в двигателях – уменьшение трения между трущимися поверхностями деталей; снижение износа трущихся поверхностей и предотвращение их заедания; охлаждение деталей; дополнительное уплотнение поршневых колец, снижающее прорыв газов из камеры сгорания в картер двигателя; защита деталей от коррозии и загрязнения углеродистыми отложениями.

К эксплуатационным свойствам моторных масел относят в первую очередь те, от которых зависят потери энергии на трение, износ трущихся поверхностей, образование отложений в двигателе, коррозия деталей и пуск двигателя при низкой температуре. Главными из них являются смазывающие и вязкостно-температурные свойства, термоокислительная стабильность, моющие, антиокислительные и антикоррозионные свойства.

Смазывающие свойства. Под этим названием объединено несколько свойств масел, влияющих на процессы трения и изнашивания трущихся поверхностей деталей в двигателях. Основные из них: антифрикционные – влияют на потери энергии при трении поверхностей; противоизносные – уменьшают износ трущихся поверхностей деталей при умеренных нагрузках; противозадирные – предохраняют трущиеся поверхности от задира в условиях высоких нагрузок. Главный показатель смазывающих свойств масла – вязкость.

Вязкость – это свойство жидкости оказывать сопротивление течению (перемещению одного слоя жидкости относительно другого) под действием внешней силы. Препятствие перемещению слоев жидкости (внутреннее трение) создают силы молекулярного сцепления.

Вязкость определяют для жидких нефтепродуктов, напряжение сдвига которых пропорционально скорости деформации, т. е. для ньютоновских жидкостей. Различают динамическую и кинематическую вязкости.

 

Рис. 3.2. Схема взаимного перемещения слоев жидкости: а – состояние покоя; б – начало движения

 

Динамическая вязкость, или коэффициент динамической вязкости, – это отношение действующего касательного напряжения к градиенту скорости. Динамическая вязкость служит мерой сопротивления жидкости течению. За единицу динамической вязкости в системе СИ принята вязкость такой жидкости, которая оказывает сопротивление в 1 Н взаимному перемещению двух слоев жидкости площадью 1 м², находящихся один от другого на расстоянии 1 м и перемещающихся с относительной скоростью 1 м/с. Схема взаимного перемещения слоев жидкости показана на рисунке 5.2.

Единица динамической вязкости в системе СИ – паскаль-секунда (Па·с). На практике применяют меньшую единицу – мПа·с (или 10^-3 Па·с), а также сантипуаз (1сП = 1мПа·с). Динамическую вязкость η определяют как произведение кинематической вязкости жидкости ν и ее плотности ρ при той же температуре:

η = νρ (3.1)

Кинематическая вязкость – это отношение динамической вязкости η жидкости к ее плотности ρ при той же температуре:

ν = η/ ρ (3.2)

Единица кинематической вязкости в системе СИ – м²/с. На практике применяют меньшую единицу – мм²/с (или 10^-6 м²/с), а также сантистокс (1сСт = 1 мм²/с).

Вязкость – основной параметр моторных масел, по которому их маркируют.

Кинематическую вязкость жидких нефтепродуктов определяют по ГОСТ 33-2000 (ИСО 3104-94). Установленный стандартом метод определения кинематической вязкости заключается в измерении времени истечения определенного объема жидкости под действием силы тяжести через калиброванный стеклянный капиллярный вискозиметр. Для вискозиметров используют стекла с малым коэффициентом температурного расширения.

Результаты определения кинематической вязкости применимы к ньютоновским жидкостям, для которых напряжение сдвига пропорционально скорости деформации, а вязкость не зависит от касательного напряжения и градиента скорости.

Капиллярные вискозиметры выпускают нескольких типов для различных диапазонов вязкости масла. На рисунке 3.3 показан прибор для определения кинематической вязкости масла с вискозиметром Пинкевича. Прибор снабжен термометром, мешалкой, термостатом и электроподогревателем.

Вязкость определяют следующим образом. На отводную трубку 5 вискозиметра надевают резиновую трубку. Затем, зажав пальцем колено 4 и перевернув вискозиметр, погружают колено 3 в нефтепродукт и засасывают его до метки М ₂ при помощи резиновой груши. Когда уровень нефтепродукта достигнет метки М ₂, вискозиметр вынимают и переворачивают. Снимают с конца колена 3 избыток нефтепродукта. Затем на этот конец надевают резиновую трубку и устанавливают вискозиметр в термостат так, чтобы расширение находилось ниже уровня термостатирующей жидкости. Заса­сывают нефтепродукт в колено 3 примерно на 1/3 высоты расширения 6. Сообщив колено 3 с атмосферой, измеряют время перемещения мениска нефтепродукта от метки М ₁ до метки М ₂.

 

Рис. 3.3 Прибор для определения кинематической вязкости масла: 1 –термометр; 2 – мешалка; 3, 4 – колена; 5 – отводная трубка; 6 – расширение; 7 – резиновая груша; 8 – электронагреватель; 9 – капилляр вискозиметра; 10 – термостатирующая жидкость; М 1, М 2 – метки

 

Затем рассчитывают кинематическую вязкость (мм²/с) испытуемого нефтепродукта:

v = Ct, (3.3)

где ν – кинематическая вязкость, мм²/с (сСт); С – калибровочная постоянная вискозиметра, мм²/с² (сСт/с); t – среднее арифметическое значение времени истечения, с.

 

Противоизносные свойства масла зависят от его химического состава и вязкостно-температурной характеристики, а также от качества присадок. Наличие в масле абразивных загрязнений существенно влияет на износ трущихся поверхностей. Трибологические характеристики масел – индекс задира, критическую нагрузку и показатель износа при постоянной нагрузке определяют по ГОСТ 9490-75 на четырехшариковой машине трения (рис. 3.4). На шарик 1, закрепленный в шпинделе, который вращается с большой скоростью, действует вертикальная нагрузка. Износ шариков 2 и другие трибологические характеристики оценивают с помощью специальных приборов.

Самый достоверный метод оценки противоизносных и противозадирных свойств – испытание масла в реальных узлах трения двигателей. При испытании противоизносные и противозадирные свойства масел оценивают по потере массы поршневых колец, задиру или питтингу кулачков и толкателей, линейному износу этих деталей и цилиндров, состоянию поверхностей трения.

Рис. 3.4 Четырехшариковая машина трения: 1 – верхний шарик; 2 – нижний шарик; 3 – масло

Вязкостно-температурные свойства. От вязкости моторного масла при рабочих температурах в двигателе зависят качество смазывания трущихся поверхностей деталей и их износ. Вязкость моторного масла, в свою очередь, зависит от температуры, с увеличением которой она понижается, а с уменьшением – повышается. Интенсивность изменения вязкости масла при изменении температуры у разных моторных масел различна. Крутизну вязкостно-температурной кривой оценивают по индексу вязкости.

Индекс вязкости характеризует степень изменения вязкости в зависимости от температуры масла, или пологость вязкостно-температурной кривой масла. Индекс вязкости масел определяют в условных единицах, сравнивая кривые вязкости испытуемого масла и двух эталонных масел, одно из которых имеет очень пологую кривую – его индекс вязкости принят за 100, а другое – крутую кривую – индекс вязкости принят за 0. Эталонные масла имеют одинаковую вязкость с испытуемым маслом при температуре 98,8 °С.

Чем выше индекс вязкости, тем лучше технико-эксплуатационные свойства моторных масел. Индекс вязкости находят по соответствующим формулам или номограмме. Сначала у испытуемого моторного масла определяют кинематическую вязкость при 40 и 100 °С. Затем с учетом этих значений по номограмме или формулам определяют индекс вязкости масла.

Термоокислительная стабильность. В процессе работы двигателя моторное масло претерпевает глубокие изменения, которые приводят к изменению физических и химических свойств. Результатом таких превращений является накопление в масле нейтральных продуктов в виде смолистых веществ, асфальтенов, карбенов и других соединений глубокого окисления, а также кислых веществ в виде органических кислот, оксикислот, эстолидов и т. п. Продукты окисления масла способствуют лако- и нагарообразованию на деталях поршневой группы, что может приводить к закоксовыванию поршневых колец. Моторное масло должно обладать высо­кой термоокислительной стабильностью, т. е. под действием высокой температуры не образовывать лаковых отложений на поверхностях поршневой группы двигателя.

Определение термоокислительной стабильности заключается в следующем. Моторное масло, находящееся на металлической поверхности в виде тонкого слоя, нагревают, в результате чего его масса уменьшается за счет испарения легколетучих веществ. Остаток, полученный на металлической поверхности, делят на рабочую фракцию и лак.

На рис. 3.5 показано изменение моторной испаряемости, склонности к образованию лака и количества рабочей фракции моторного масла при постоянной температуре 250 °С в зависимости от времени нагревания на металлической поверхности. Как видно из рисунка, с увеличением времени нагрева увеличиваются моторная испаряемость и склонность к образованию лака и снижается количество рабочей фракции, т. е. масла, выполняющего функцию смазочного материала.

 

Рис. 3.5. Изменение моторной испаряемости, склонности к образованию лака и рабочей фракции моторного масла при постоянной температуре3

 

Термоокислительная стабильность моторного масла – это время (в минутах), в течение которого испытуемое масло при температуре 250 °С превращается в лаковый остаток, состоящий из 50% рабочей фракции и 50% лака.

Метод определения термоокислительной стабильности на испарителях термостата-лакообразователя применяют для условной оценки склонности масел к образованию лаковых отложений на деталях двигателя (в зоне поршневых колец) и оценки эффективности действия присадок, уменьшающих лакообразование.

Лакообразователь для определения термоокислительной стабильности показан на рис. 3.6. Он состоит из электронагревательного элемента 1, пластины 2 и стального диска 4, который нагревается от элемента 1. Температуру диска контролируют с помощью термометра 6. Прибор оборудован подвижной стеклянной дверцей 7.

 

Рис. 3.6. Лакообразователь для определения термоокислительной стабильности: 1 – электронагревательный элемент; 2 – нагревательная пластина; 3 – металлический корпус; 4 – диск; 5 и 9 – верхняя и нижняя крышки; 6 – термометр; 7 – подвижная стеклянная дверца; 8 – накладка

 

В лакообразователе устанавливают температуру 250 °С. На стальном диске размещают четыре испарительные стальные тарелочки, в каждой из которых находится по 0,035...0,04 г испытуемого масла. Когда масло в тарелочках окислится, что определяют по изменению цвета масляной пленки, с диска снимают одну тарелочку, а остальные с интервалом 10 мин. После охлаждения тарелочки взвешивают, петролейным эфиром эстрагируют из остатка масла рабочую фракцию. Затем тарелочки снова взвешивают. Так определяют количественное содержание рабочей фракции и лака.

Испаряемость И^τ_T (%) испытуемого масла при температуре Т в течение времени τ, рассчитывают по формуле:

И^τ_T = (m ₁ – (m ₃ – m ₂)·100)/ m ₁ (3.4)

где m ₁, m ₂, m ₃ – масса навески соответственно масла, чистого испарителя до опыта и испарителя с остатком масла после испарения в лакообразователе, г.

Массовую долю рабочей фракции РФ^τ_T (%) испытуемого масла при температуре Т втечение времени τ находят по выражению:

РФ^τ_T = (m ₃ – m ₄)·100/ m ₁ (3.5)

где m ₄ – масса испарителя с остатком лака после экстрагирования, г.

 

За испаряемость и рабочую фракцию испытуемого масла принимают среднее арифметическое двух испытаний. Расхождение между параллельно полученными результатами не должно превышать 10 % среднего значения.

Массовую долю лака Л^τ_T (%) при температуре Т течение времени τ, вычисляют по формуле:

Л^τ_T = (m ₄ – m ₂)·100/ m ₁ (3.6)

По полученным данным строят график изменения во времени количеств рабочей фракции и лака в испытуемом масле (рис. 3.7). Из точки а пересечения кривых опускают перпендикуляр на ось абсцисс и получают значение термоокислительной стабильности в минутах. Чем выше термоокислительная стабильность масла, тем медленнее его окисление в тонком слое при высокой температуре, выше качество масла и меньше опасность пригорания колец.

 

Рис. 3.7. Изменение во времени количественного содержания рабочей фракции (1)и лака (2) в испытуемом масле

 

Моюще-диспергирующие свойства. Они характеризуют способность масла уменьшать образование углеродистых отложений и осадков на деталях двигателя и поддерживать продукты загрязнения во взвешенном состоянии. Чем выше моюще-диспергирующие свойства моторных масел, тем больше продуктов загрязнения и окисления масла без выпадения в осадок удерживается в работающем масле, тем меньше при работе двигателя внутреннего сгорания на поршнях образуются лаковые отложения, на других деталях – мазеобразные осадки серого или черного цвета. Однако при введении в масло специальной присадки (моющей) склонность масла к образованию лака и других отложений резко снижается.

Даже после длительной работы детали двигателя оказываются совершенно чистыми, как будто их недавно вымыли. Отсюда и возникли термины «моющие присадки», «моющие свойства масел». Эти термины не совсем точны, так как масло, содержащее моющую присадку, не смывает лак с деталей, а предупреждает образование его на них.

Моющие свойства моторных масел определяют по интенсивности лакообразования на поверхности поршня на установке ПЗВ (рис. 3.8). Установка состоит из одноцилиндрового четырехтактного двигателя 2, электродвигателя 1 и пульта управления. Алюминиевый поршень снабжен двумя компрессионными и двумя малосъемными кольцами. Необходимый температурный режим поддерживается электронагревательными элементами 3. Условия испытания следующие: в картер двигателя заливают 250 мл испытуемого масла; частота вращения коленчатого вала двигателя 2500 мин^-1; температура головки цилиндра 300 °С, масла в картере 125 °С и воздуха на выпуске 220 °С. Продолжительность испытания 2 ч.

 

Рис. 3.8. Установка ПЗВ: 1 – электродвигатель; 2 – одноцилиндровый двигатель; 3 – электронагревательные элементы

 

После испытания прибор разбирают и по количеству лака на боковой поверхности поршня оценивают моющие свойства масла по семибалльной цветной шкале. Если поршень чист, масло получает балл 0, а если очень загрязнен лаком – балл 6.

Антиокислительные свойства характеризуют стойкость масла к окислению. Полностью предотвратить окисление масла из-за жестких условий эксплуатации невозможно. Процесс окисления моторного масла можно значительно затормозить введением эффективных антиокислительных присадок, очисткой базовых масел от нежелательных соединений, использованием синтетических базовых компонентов. При окислении масла происходит увеличение его вязкости и коррозионности, склонности к образованию отложений, сильному загрязнению фильтров, что приводит к затруднению холодного пуска и ухудшению прокачиваемости масла. В двигателе масло наиболее интенсивно окисляется в тонких слоях на поверхностях деталей, нагревающихся до высокой температуры и соприкасающихся с горячими газами. Значительное окисление масла происходит на поршнях, цилиндрах, поршневых кольцах, клапанах и др. Скорость и степень окисления моторного масла существенно увеличиваются под действием продуктов неполного сгорания топлива, прорывающихся в картер двигателя. Окисление масла ускоряют также частицы металлов, накапливающиеся в нем в результате изнашивания деталей двигателя, и металлоорганические соединения меди, железа и других металлов, образующиеся в результате коррозии деталей двигателя или взаимодействия этих частиц с органическими кислотами.

При длительной работе масла в двигателе в результате окисления наблюдается значительный рост вязкости, который происходит после полного срабатывания антиокислительной присадки. В стандартах на моторные масла их стойкость к окислению оценивают по индукционному периоду осадкообразования (окисление при 200 °С по ГОСТ 21063-77) или по увеличению их вязкости при работе в двигателе установки ИКМ (моторные испытания поГОСТ 20457-75).

Антикоррозионные свойства. Эти свойства моторных масел зависят главным образом от эффективности антикоррозионных и антиокислительных присадок, а также от состава базовых компонентов. В процессе работы масла в двигателе коррозионность возрастает. Наиболее сильно увеличивается коррозионность масел из малосернистых нефтей с высоким содержанием парафиновых углеводородов, которые в процессе окисления образуют агрессивные органические кислоты. Эти кислоты взаимодействуют с цветными металлами и их сплавами.

Антикоррозионные присадки защищают вкладыши подшипников и другие детали, выполненные из цветных металлов, образуя на их поверхности прочную защитную пленку.

Нейтрализующая способность – это важнейшее химическое свойство моторных масел, характеризуемое щелочным числом. Оно показывает, какое количество кислот, образующихся при окислении масла или попадающее в него из продуктов сгорания топлива, может нейтрализовать единица массы масла. Щелочное число масел обусловливается содержанием в них моющих и диспергирующих присадок, обладающих щелочными свойствами и препятствующих отложению смолисто-асфальтовых веществ, карбенов и карбоидов на деталях кривошипно-шатунного механизма и особенно на деталях цилиндропоршневой группы двигателей в виде лаков и нагаров.

Чем выше концентрация присадки в масле (щелочное число), тем меньше нагарообразование в двигателе. Однако концентрация присадки в масле во время работы двигателя постепенно снижается (срабатывается) и защитные свойства масла ухудшаются.

Щелочное число моторного масла определяют методом потенциометрического титрования по ГОСТ 11362-96 (ИСО 6619-88). За щелочное число принимают количество щелочи, выраженное в миллиграммах гидроксида калия (КОН) на 1 г образца, необходимое для потенциометрического титрования испытуемой массы в определенном растворителе от начального показания измерительного прибора до показания, соответствующего свежеприготовленному кислому неводному буферному раствору.

Температура вспышки и воспламенения. При нагревании моторные масла испаряются. Пары масла, смешиваясь с воздухом, образуют взрывчатую смесь.

Температура вспышки – это минимальная температура, при которой пары масла, нагретого в специальном приборе, образуют с воздухом смесь, воспламеняющуюся от постороннего источника огня.

Температура воспламенения – это такая температура нагретого масла, при которой оно загорается само.

Температуры вспышки и воспламенения характеризуют огнеопасность нефтепродукта. По температуре вспышки можно оценить свойства углеводородов, входящих в состав масла, определить наличие в нем примесей топлива. В присутствии топлива значительно снижается температура вспышки масел: при попадании в масло 1% бензина – с 200 до 170 °С, а при наличии в масле 6% бензина – почти в два раза.

На температуру вспышки оказывают влияние давление и влажность воздуха. С повышением атмосферного давления температура вспышки несколько увеличивается, а с ростом влажности воздуха – уменьшается.

 

Рис. 3.9. Прибор для определения температуры вспышки в открытом тигле: 1 – термометр; 2 – тигель с испытуемым маслом; 3 – тигель с прокаленным песком; 4 – газовая горелка

 

Смесь паров масла с воздухом воспламеняется при определенной минимальной концентрации паров в воздухе, которая соответствует нижнему пределу взрываемости. На рисунке 5.9 показан прибор для определения температуры вспышки в открытом тигле. Тигель 2 с испытуемым маслом помещают в тигель 3 с прокаленным песком, под который подводят газовую горелку и нагревают масло. Над поверхностью масла периодически проводят пламенем зажигательного устройства. За температуру вспышки масла принимают температуру, при которой наблюдается пробегающее и быстро исчезающее синее пламя.

Низкотемпературные свойства. Эти свойства оценивают по тем­пературе застывания и вязкости. Температурой застывания называется температура, при которой масло теряет подвижность, т. е. перестает течь под действием силы тяжести.

Требования к качеству моторных масел резко возросли в связи с постоянным совершенствованием конструкций двигателей и решением задач по улучшению их топливной экономичности (энергосбережения), снижению расхода и увеличению сроков замены масла (20...50 тыс. км у автомобилей). Большое значение приобретает экологический фактор в связи с введением ужесточающих норм по выбросам вредных веществ с отработавшими газами, постепенным отказом от использования вредных компонентов, например ароматических углеводородов.

Основные направления в обеспечении требований к качеству моторного масла: повышение термоокислительной стабильности масел, снижение низкотемпературной вязкости, улучшение показателей проворачивания и прокачиваемости при холодном пуске, создание долгоработающих и широкое использование энергосберегающих масел.

 

3.1.3 Присадки к маслам

 

Присадки добавляют к маслам для улучшения их качества. Наиболее важные из них вязкостные, моюще-диспергирующие, антиокислительные и депрессорные.

Вязкостные (загущающие) присадки добавляют в моторные масла для повышения их вязкости и индекса вязкости. Такие масла называют загущенными. Загущающие присадки (сейчас все чаще употребляют термин «модификаторы вязкости») в сочетании с присадками, улучшающими смазочные свойства моторных масел, позволяют создавать энергосберегающие масла.

В отличие от незагущенных масел, вязкость которых зависит в основном от температуры и давления, загущенные масла обладают еще способностью изменять свою вязкость в зависимости от напряжения и градиента скорости сдвига. Они проявляют временное падение вязкости с увеличением скорости сдвига. Такие жидкости называют «разжижаемые сдвигом». Примеры таких жидкостей: резиновый клей, густотертая краска, битум. Вязкость этих жидкостей называют кажущейся. Ее снижение при определенном градиенте скорости сдвига тем больше, чем ниже температура масла.

У загущенных масел также наблюдается перманентное снижение вязкости из-за механической и термохимической деструкции загущающих присадок. В качестве товарных вязкостных присадок в основном используют полиметакрилаты. К вязкостным присадкам относятся также сополимеры стирола с диеновыми углеводородами (изопреном или бутадиеном), сополимеры этилена с пропиленом и с высшими олефинами, эфиры одно- и многоосновных кислот.

Молекулы полиметакрилатов при низкой температуре, когда масло вязкое, находятся в скрученном состоянии и мало влияют на вязкость. С ростом температуры они раскручиваются и повышают вязкость (рис. 3.10). Полимеры компенсируют значительную потерю вязкости самого масла при повышении температуры. Таким образом, повышается индекс вязкости масла.

 

 

Рис. 3.10. Состояние молекулы вязкостной присадки в масле
при различной его температуре

 

 

Рис. 3.11. Зависимости вязкости масел от температуры:

1 – моторное; 2 – маловязкое минеральное; 3 – загущенное моторное

 

Присадки типа полиметакрилатов ПМА В-1, ПМА В-2, «Дизакрил» представляют собой масляные растворы эфиров метакрилатовой кислоты и масел синтетических жирных спиртов.

Вязкостные присадки КП-5, КП-10 и КП-20 являются продуктами полимеризации изобутилена. Средняя молекулярная масса присадок от 4 000 до 25 000. Их применяют в виде масляных растворов в трансформаторном или индустриальном масле.

Зависимости вязкости различных масел от температуры изображены на рисунке 3.11. Как видно из рисунка, при понижении температуры вязкость моторного масла сильно возрастает, а маловязкого минерального изменяется по пологой кривой. Добавляя в последнее вязкостные присадки, получают загущенное моторное масло, у которого вязкость при 100 °С увеличена за счет добавления присадки, а при 0 °С такая же, как у маловязкого незагущенного минерального масла.

Загущенные масла обладают высоким индексом вязкости, хорошей текучестью при низких температурах, способствуют легкому и быстрому пуску двигателя в холодное время года, образуют небольшое количество нагара, обеспечивают минимальные потери мощности на трение, что ведет к экономии топлива.

Моюще-диспергирующие присадки предназначены для предотвращения или уменьшения образования лаковых отложений и осадков на рабочих поверхностях, предупреждения пригорания поршневых колец, а также для поддержания продуктов окисления масла во взвешенном состоянии. Для этих целей в моторные масла вводят моющие (детергенты) и диспергирующие (диспергенты) присадки. Моюще-диспергирующие присадки условно делят на две группы: зольные и беззольные.

В молекуле зольных присадок содержатся полярные группы, которые адсорбируются на поверхностях частиц окисления масла, препятствуя их укрупнению и отложению на рабочих поверхностях. Таким образом предотвращается образование отложений и лаков на деталях двигателя. Зольные моющие присадки повышенной щелочности нейтрализуют кислые продукты, которые образуются в результате окисления масла.

При производстве моторных масел применяют отечественные детергенты трех классов: алкилфеноляты, сульфонаты и алкилсалицилаты щелочно-земельных металлов. Эти присадки составляют преобладающую часть композиций присадок в моторных маслах, однако наметилась тенденция к их уменьшению в связи с ростом доли беззольных дисперсантов и антиокислительных присадок.

Алкилфенольные присадки широко применяют в моторных маслах. Кроме моющего действия они могут обладать также антиокислительными и противоизносными свойствами.

Сульфатные присадки представляют собой соли кальция или магния, реже соли натрия, бария и цинка. В зависимости от содержания активных металлов в сульфонатных присадках их подразделяют на нейтральные, средне- и высокощелочные. В состав средне- и высокощелочных присадок входит дисперсия карбонатов и гидроксидов металлов, стабилизированная сульфонатом металла.

Алкилсалицилатные присадки имеют высокие моющие свойства, а также обладают антиокислительным, антикоррозионным и анти­фрикционным действием. Эти присадки вырабатывают в ограниченном объеме в связи со сложностью их получения. Алкилсалициловые присадки представляют собой соли алкилсалициловых кислот, которые получают алкилированием фенола альфаолефинами.

Беззольные диспергирующие присадки поддерживают во взвешен­ном состоянии твердые частицы, которые образуются при окислении моторного масла в двигателе. При их использовании снижаются нагарообразование и образование низкотемпературных отложений. К беззольным диспергирующим присадкам относятся сукцинимиды алкенилированные полиамины, полиэфиры и др.

Антиокислительные присадки представляют собой дитиофосфаты цинка и других металлов. Наиболее эффективны дитиофосфаты цинка, которые обладают способностью сорбироваться на поверхности металла с образованием адсорбционных слоев и тем самым снижать коэффициент трения. При высоких температурах и нагрузках он образу