2.10. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ МОТОРНЫХ
МАСЕЛ НА СУДНЕ
В настоящее время единая международная классификация масел отсутствует.
В СССР все моторные масла согласно ГОСТ 17479-72 разделены по
эксплуатационным свойствам на шесть групп (табл. 2.15). Каждая марка
масла имеет свое обозначение.
Например, М-16В2, означает: М - моторное, 16 - вязкость в сантистоксах
при 100 ° С, В - группа В (для форсированных дизелей), 2 предназначено
для дизелей. Марка масла М-6з/10Г2 означает: М - моторное, 6 - класс
вязкости при температуре -18 °С, буква з - масло содержит загущающие
присадки, 10 - вязкость в сантистоксах при 100 ° С, Г2 - предназначено
для высокофорсированных дизелей.
Наибольшее распространение за рубежом получила классификация
SAE,предложенная Обществом автомобильных инженеров (SAE), Американским
нефтяным институтом (API) и Американским обществом по испытанию
материалов (ASTM). Согласно этой классификации все моторные масла в
зависимости от напряженности работы двигателей делятся на следующие
группы [ 20,54]:
1) регулярные или премиальные масла без присадок или с небольшим
содержанием антиокислительных присадок; предназначены для карбюраторных
двигателей и малонапряженных дизелей, работающих на малосернистом
топливе;
2) масла для тяжелых условий работы; обозначаются HD (хэви дыоти);
содержат значительное количество моющих и антиокислительных присадок;
3) масла для особо тяжелых условий работы; в зависимости от форсировки
двигателя и сорта топлива (степени наддува, содержания серы в топливе и
т. д.) разделяются на серии 1,2,3.
Сорта серии 1 — масла с антиокислительными и моющими присадками для
дизелей, работающих в умеренно тяжелых условиях на сернистом топливе.
Сорта серий 2 и 3 — масла с антиокислительными и моющими присадками для
дизелей, работающих в особо тяжелых условиях (высокий наддув,
высокотемпературный режим, сернистое топливо и т. п.).
В обозначениях зимних сортов дополнительно вводится буква W. Всесезонные
масла обозначаются сдвоенными номерами шкалы SAE.
Например, марка SAE 5W/30 означает, что масло при повышенных
температурах имеет такую же вязкость, как масло SAE 30, а при низких
температурах его вязкость не превышает вязкости зимнего масла SAE-5.
Выбор отечественных моторных масел и их
заменяемость зарубежными для судовых дизелей ФРП регламентируются
отраслевым стандартом „Масла моторные для дизелей судов флота рыбной
промышленности”.
При выборе масла следует руководствоваться общим правилом: чем выше
тепловая напряженность двигателя, тем более высокую эксплуатационную
группу должно иметь использующееся в нем масло независимо от содержания
серы в топливе, при этом вязкость масла должна быть также несколько
повышенной. В табл. 2.17 приведен перечень зарубежных
масел и показано соответствие их эксплуатационным группам по ГОСТ
17479-72.
Масла одной эксплуатационной группы, но разных классов вязкости можно
смешивать в любых соотношениях. Смешение масел также допускается, если
одно масло с присадками, а другое без присадок или заведомо известно,
что оба масла содержат идентичные композиции присадок. Если масла
содержат разные композиции присадок или они не известны, то проводят
специальные исследования. Масла смешивают в соотношении 9: 1,1 : 1,1 :9и
выдерживают при температуре 105 °С в течение 7 сут. По наблюдаемому
осадку или изменению структуры смеси судят о совместимости смеси. Для
получения более достоверных данных о влиянии повышенных температур смеси
масел могут подвергаться моторным испытаниям.
Эксплуатацию двигателей на смеси моторных масел следует рассматривать
как временную меру в целях экономии масел. Перед принятием решения о
переводе двигателя на смесь необходимо определить качество работавшего
масла, при этом ни по одному из показателей масло не должно достигать
браковочных значений. Переход на смесь масел осуществляется путем
постепенных доливок масла другой марки в циркуляционную систему
двигателя в количестве 10 ... 15 % при прогретом двигателе и работающем
циркуляционном насосе. Режим работы средств очистки не изменяется. После
достижения браковочных показателей смесь масел заменяется одной из
рекомендованных марок моторного масла.
Важнейшими физико-химическими показателями масел, влияющих на
долговечность и надежность ДВС, являются: вязкость, щелочное число,
термоокислительная стабильность, содержание механических примесей и
воды.
Вязкость — одна из основных характеристик масла. Наиболее опасным с
точки зрения долговечности двигателя является режим граничной смазки,
который может наблюдаться при пуске и остановке, при перерывах в подаче
масла, недостаточной или наоборот чрезмерной вязкости масла. При высокой
вязкости свежего масла может быть превышен предел, при котором не
обеспечивается нормальное распределение масла по зеркалу втулки. Вместе
с тем цилиндровое смазочное масло должно обладать хорошей несущей
способностью для сведения к минимуму износов, а поэтому оно должно иметь
повышенную вязкость.
Для облегчения решения задачи по выбору оптимальной вязкости смазочного
масла введено понятие индекса вязкости. Индекс вязкости характеризует
отношение вязкости к температуре, т. е. вязкостно-температурные свойства
масел.
Согласно требованиям ГОСТ 17479—72 индекс вязкости моторных масел должен
быть не ниже 90 (на масла группы Е требование не распространяется) .
Более жесткие требования предъявляются к индексу вязкости масла в
условиях частых остановок и при работе на различных режимах, в этом
случае индекс вязкости должен быть повышен до 95 ...100. При работе
двигателей в условиях низких температур индекс вязкости должен быть
доведен до 140 ... 150. Выполнение таких условий может быть достигнуто
подбором основы масел и введением загущающих присадок.
Выбор вязкости масла зависит также от форсировки
двигателя. Для дизелей повышенной степени форсирования (крейцкопфные ре
>1,1 МПа, тронковые ре > 1,6 МПа) рекомендуется использовать более
вязкие масла: в циркуляционной системе тронковых дизелей — класса 14 (SAE
40), для смазки цилиндров крейцкопфных дизелей - класса 20 (SAE 50).
Общее щелочное число (ОЩЧ) определяется содержанием в миллиграммах
едкого кали (КОН) на 1 г масла. Наличие щелочного числа у масла
указывает на отсутствие неорганической (минеральной) кислоты,
обеспечивает защиту деталей от кислотной коррозии, которая может
возникать в процессе сгорания содержащейся в топливе серы. Особенно это
проявляется в высокофорсированных дизелях и при работе на сернистых
топливах. Как показывает опыт, износы ЦПГ прямо пропорциональны
содержанию серы в топливе. Поэтому для нейтрализации вредного
воздействия продуктов сгорания серы моторные масла содержат, как уже
отмечалось, специальные присадки. Такие присадки не только надежно
нейтрализуют кислоты, но и, обладая хорошими моющими свойствами, в
значительной степени способствуют продлению периодов между мотоочистками
с обеспечением чистоты поршневых колец и окон продолжительное время.
Применение щелочных масел в значительной степени снижает относительный
износ ЦПГ, что видно из рис. 2.7.
Термоокислительная стабильность характеризует способность масла
противостоять действию высоких температур. При работе двигателя масло
подвергается температурным воздействиям в трех различных зонах. В первой
зоне — камере сгорания — масло подвергается воздействию наиболее высоких
температур, в результате чего на деталях отлагаются твердые
коксообразные или рыхлые вещества, толщина которых может достигать
нескольких миллиметров. Рост нагара зависит от многих факторов:
особенностей двигателя, продолжительности его работы, температурных
условий, качества и расхода масла. Во второй зоне — шатунно-поршневой
группе — под воздействием температур образуются лаковые отложения,
представляющие собой тонкий слой лака (до 100 ... 200 мкм), который
прочно удерживается на поверхности деталей двигателя. Повышенная
склонность к лаковым отложениям наблюдается у нефтепродуктов
более тяжелых по своему фракционному составу. Металлы оказывают
каталитическое влияние на процесс лакообра-зования и чем меньше толщина
масляного слоя, тем при более низкой температуре начинается этот
процесс.
Лак способствует пригоранию поршневых колец, затрудняет отвод теплоты.
Пригорание колец облегчает проникновение масла в камеру сгорания,
снижает компрессию двигателя, что способствует прорыву газов в картер,
вызывает чрезмерное трение, повышенный износ деталей ЦПГ, поломку колец,
а иногда и заклинку поршня в цилиндре.
В третьей зоне — картере, фильтрах, трубопроводах и других элементах
масляной системы — воздействие температур менее заметно, так как слой
масла большой, а температуры сравнительно малы. Количество образующихся
осадков в картере и на фильтрах во многом зависит от анти-окислительной
способности масла. Осадки в двигателе представляют собой липкие
мазеобразные вещества от серовато-коричневого до черного цвета.
Попадание воды в картер во многом интенсифицирует процесс образования
осадков. Осадки представляют большую опасность, поскольку могут
закупорить маслокаНалы, маслопроводы, фильтры и вызвать аварию
двигателя.
Все современные моторные масла содержат присадки, причем в цилиндровых
маслах, предназначенных для использования с сернистыми тяжелыми
топливами, количество присадок может доходить до 25 и даже 33 %. Попадая
в камеру сгорания, масла сгорают в основном с образованием золы.
Следствием ввода в масла все большего количества щелочноземельных
металлов для улучшения моюще-диспергирующих свойств является повышение
зольности масла. Так, сульфатная зольность масел группы В равна 0,6 ...
1,2 %, группы Г — 1,3 ...1,9%, группы Д - 3,0...4,6%, группы Е — до 10
%. Повышенная сульфатная зольность может вызвать ряд отрицательных
последствий: повышение износа деталей ЦПГ ряда типов дизелей;
образование трудносчищаемых твердых зольных отложений на днище и на
верхней части боковой поверхности поршней и, как следствие, нарушение
рабочего процесса и снижение экономичности работы дизеля. Помимо этого,
при повышенном содержании зольных диспергирующих присадок возникают
сложности с очисткой масла, поскольку мелкие абразивные частички не
задерживаются фильтром и при постоянной циркуляции в масляной системе
могут влиять на повышенные износы деталей ЦПГ, что подтверждается
сравнительными испытаниями.
Старение масла идет в двух направлениях: срабатываются присадки и
накапливаются загрязнения. Загрязнение масла происходит за счет
неполного сгорания топлива, продуктов распада самого масла, продуктов
износа деталей двигателя, пыли и других твердых частиц. Особенно
интенсивно загрязняется масло в процессе сжигания топлива повышенной
вязкости, которое содержит высокомолекулярные асфальтены, сгорающие
очень медленно с образованием адгезионных соединений. В двигателе масло
подвергается воздействию высоких температур, в результате чего
углеводороды претерпевают глубокие превращения. Продукты таких
превращений (оксикислоты, асфальтены, карбены, карбоиды) нерастворимы в
масле и, накапливаясь, существенно увеличивают износы деталей двигателя.
Нерастворимые в бензине загрязнения, если их размеры не превышают 5 мкм,
при определенных условиях могут адсорбировать на своей поверхности
продукты окислительной полимеризации масла, образуя коллоидную защиту и
превращаясь таким образом в активную противоизнос-ную присадку. Для
выполнения этого условия моторные масла должны содержать эффективные
диспергирующие присадки, назначение которых - поддерживать нерастворимые
в бензине загрязнения в тонкой дисперсии, а также разрушать
крупнодисперсные агрегаты загрязнений. С той же целью современные
средства очистки удаляют из масла нерастворимые в бензине загрязнения с
размерами частиц выше 5 мкм.
Накопление в масле загрязнений приводит помимо повышения износов к
ухудшению моющих свойств, что способствует образованию различных
нагаролакоотложений, препятствующих нормальной работе дизеля.
Проведенные исследования подтвердили, что моющие свойства масел резко
ухудшаются при концентрации загрязнений: выше 3 % — для масел группы Б;
выше 5 % — для масел группы В. Моющие свойства масел группы Г
практически не изменяются при содержании загрязнений в пределах 3 ...
10%.
Содержание воды в масле приводит к ряду нежелательных явлений:
ухудшаются защитные свойства масла из-за истощения моюще-диспер-гирующих
присадок водой, вследствие чего возрастают износы деталей ЦПГ и
ускоряется загрязнение двигателя;
укрупняются загрязняющие частицы, которые осаждаясь во всевозможных
отверстиях, приводят к нарушению режима смазки и повышенным
гидравлическим сопротивлениям в системе;
нарушается гидродинамический режим смазки подшипников (при повышенном
содержании воды в масле);
повышается вероятность поражения масла микроорганизмами, необ2 ходимым
условием жизнедеятельности которых является наличие воды;
теряют эффективность противоизносные присадки: смазывающие свойства
масел с противоизносными присадками интенсивно изменяются при содержании
воды до 2 %. Наиболее устойчивы к воздействию воды серосодержащие
присадки и присадки на основе дитиофосфата цинка, наименее —
хлорсодержащие присадки.
Характеристика отечественных моторных масел приведена в табл.2.18.