книги из ГПНТБ / Гуреев, А. А. Автомобильные эксплуатационные материалы учебник

методами было установлено, что толщина граничных слоев во много раз превышает толщину первого слоя адсорбированных молекул, который практически равен по толщине длине одной молекулы. Более правильно говорить о полимолекулярности граничного слоя. Разу­ меется, что первый граничный слой связан с поверхностью металла более прочно. На рис. 67 показан только один слой. На прочность граничного слоя оказывает большое влияние температура. С повы­ шением температуры силы адсорбции ослабляются, цельность пленки адсорбированных молекул нарушается, смазывающая способность масла снижается.

При граничном режиме смазки происходит надежное разделение трущихся деталей тонкой масляной пленкой, имеющей особые прочно­ стные свойства. Вопросы уровня вязкости масла отходят на второй план, и маловязкое масло с поверхностно-активными присадками по смазочному действию оказывается близким маслу высоковязкому.

Трение в отсутствие смазки. Трущаяся пара в этих условиях ра­ ботает при «масляном голодании». В зонах контакта трущихся поверх­ ностей возникают высокие температуры, граничные пленки не могут предотвратить схватывания и сваривания металла в точечных зонах контакта, в результате чего могут образоваться натиры, задиры. Этот вид смазки рассматривается как аварийный режим.

§ 3. ВЯЗКОСТНЫЕ СВОЙСТВА

Вязкостные свойства являются одним из главных эксплуатацион­ ных качеств масла для двигателей.

Вязкость (внутреннее трение) — свойство жидкости оказывать со­ противление относительному перемещению слоев.

Величина вязкости обычно выражается в единицах вязкости динамической (пуазы, сантипуазы) или кинематической (стоксы, сантистоксы).

Перевод одних единиц в другие проводится по формуле

где v — кинематическая вязкость, Ст, см2/с; т] — динамическая вязкость, Пз, г/см-с; d — плотность масла, г/см3.

Сотая часть пуаза называется сантипуаз (сПз), а стокса — сантистокс (сСт).

Вязкость масла зависит от внешних условий — температуры и давления.

Зависимость вязкости масла от давления. В современных двигате­ лях удельные давления в подшипниках коленчатого вала достигают 150—200 кгс/см2, а в подшипниках поршневого пальца даже 600— 700 кгс/см2. Давление на единицу площади пары кулачок — толкатель и в зубчатых передачах достигает еще больших величин — 15 000— 30 000 кгс/см2.

150

С повышением давления вязкость масла возрастает в следующих размерах:

Зависимость вязкости масла от температуры. С понижением темпе­ ратуры вязкость масла резко возрастает до полной потери текучести. Увеличение вязкости масла создает большие трудности при зимней эксплуатации автомобилей (при холодных пусках двигателя, операциях заправки маслом и т. д.).

Вязкостно-температурные свойства масла обычно определяют пря­ мыми измерениями с помощью лабораторных приборов — вискози­ метров. Для более точного определения пусковых качеств масел целе­ сообразно определять вязкость при низких температурах на установ­ ках, моделирующих пару вал — подшипник. Так называемая «мотор­ ная вязкость» позволяет с большей точностью прогнозировать воз­ можность пуска двигателя при низких температурах.

Для характеристики вязкостных свойств масла иногда используют показатель индекс вязкости (ИВ). Этот показатель характеризует степень изменения вязкости масла в зависимости от температуры.

Для определения индекса вязкости масла необходимо знать его вязкость при 50 и 100° С. Расчет ведется по специальным таблицам или графикам. В табл. 44 показаны вязкостные характеристики масел для двигателей. Низкотемпературные свойства загущенных масел намного лучше аналогичных качеств у масел обычного способа производства.

151

Так, вязкость масла АСЗп-10 при температуре минус 30° С в 7 раз меньше, чем у масла Дп-11, хотя уровень вязкости масел при 100°С у них примерно одинаков.

Причиной хороших низкотемпературных свойств у загущенных масел является то, что эти масла получены из глубокодепарафинированных масляных фракций по новому способу производства, суть которого заключается в следующем.

Берется маловязкая (3—4 сСт при 100° С) масляная основа, обла­ дающая хорошими низкотемпературными свойствами, но из-за малой вязкости при 100°С неспособная обеспечить работу двигателя, и за­ гущается до необходимого уровня вязкости при 100° С (6—14,0 сСт) с помощью полимерных вязкостных (загущающих) присадок. Поэтому эти масла называются загущенными. Для стабилизации полимерной присадки от разрушения (деструкции) и для придания маслу необхо­ димых эксплуатационных свойств в него вводятся присадки.

Таким образом, загущенному маслу малую вязкость при низких температурах придает маловязкая основа, а высокую вязкость при по­ ложительных температурах — полимерная присадка.

В качестве полимерных присадок используют полиизобутилеи, полиметакрилат (табл. 45) и некоторые другие маслорастворимые полимеры молекулярного веса от 9000 до 30 000.

Т а б л и ц а 45

Приоритет в создании загущенных масел на специальной масляной основе, отличающихся исключительно хорошими низкотемпературными свойствами, принадлежит Советскому Союзу (Е. Г. Семенидо).

Принцип действия полимерных (вязкостных) присадок. Существует несколько взглядов о загущающем эффекте полимерных присадок. Однако общепринятым является следующее объяснение. На вязкость раствора влияет размер и форма макромолекулы полимера, взаимодей­

152

макромолекул и как следствие «раеворачивания» их клубков в линей­ ные конфигурации усиливается взаимодействие макромолекул по всей их длине с молекулами растворителя. В этом случае объем макро­ молекул становится больше, внутреннее трение возрастает.

Этим объясняется факт меньшей зависимости загущенного масла от температуры при 100—150° С по сравнению с незагущенными мас­ лами (рис. 69). Эта особенность загущенных масел имеет положитель­ ное значение при смазке деталей машин и механизмов.

В заключение следует указать еще на одну особенность загущен­ ных масел — на их способность временно снижать вязкость в зонах

V .

у А b v

153

с высокими градиентами скорости сдвига1: пары вал — подшипник, цилиндр —поршень. В табл. 46 приведены скорости сдвига, которые наблюдаются в двигателях внутреннего сгорания. На рис. 70 показан характер изменения вязкости загущенного масла с увеличением скорости сдвига.

Причины этого явления следует искать в изменении формы макро­ молекул в полях с высокими градиентами скорости сдвига и в частич­ ном или полном нарушении связи макромолекул с растворителем.

При уменьшении градиента скорости сдвига (например, после прохождения загущенным маслом узких отверстий маслосистемы, подшипника двигателя и т. д.) вновь восстанавливается форма макро­ молекулы и ее связь с растворителем. Вязкость загущенного масла принимает прежнее значение. Явление временного снижения вязкости ничего общего не имеет с необратимым падением вязкости при деструк­ ции (разрушении) полимерной присадки.

Это свойство загущенных масел имеет большое прикладное зна­ чение. В условиях гидродинамической смазки пары вал — подшип­ ник на загущенном масле при высоких оборотах вязкость при прохож­ дении масла через подшипники будет меньше, чем на обычном. Однако это не повлияет на формирование масляного клина, который при боль­ ших оборотах будет достаточно надежным и для масла малой вязкости.

В этом случае потери на трение в двигателе будут меньше. Эконо­ мия топлива при работе на загущенных маслах составляет, как пра­ вило, не менее 5%.

Выбор оптимального уровня вязкости масла для двигателей. Для смазки двигателей внутреннего сгорания используют масла вязкостью от 5—6 до 20 сСт при 100° С. Применение масел меньшей вязкости может привести к нарушениям смазки, а более вязких — к повышен­ ным потерям на трение и большему нагарообразованию. В автомобиль­ ных карбюраторных двигателях используются обычно масла с вязко­ стью 6, 8 и 10 сСт при 100° С, в дизельных двигателях мощных тягачей,

1 Скоростью сдвига называется отношение скорости течения масла к вели­ чине зазора между смазываемыми поверхностями. Размерность величины— с-1.

154

скреперов и других дорожных машин — с вязкостью 10—16 сст при

100° С.

Имеется определенная тенденция к переходу на масла меньшей б я з к о с т и . Так, если для дизельных двигателей типа В-2 вначале при­ менялось масло с вязкостью при температуре 100° С 20 сСт, то затем 16, далее 14 и наконец было показано, что оптимальный уровень вязкости масла для этого типа двигателя находится в интервале 8— 10 сст при 100° С. Именно при этом значении вязкости обеспечивается надежная смазка и минимальная температура подшипников при всех оборотах и при разных количествах подаваемого масла.

Использование масла для двигателей минимально допустимой вяз­ кости при 100° С позволяет снизить потери на трение и получить выиг­ рыш в его низкотемпературных качествах.

Преимущества загущенных масел особо проявляются при холодных пусках двигателей и в снижении пусковых износов.

Показано, что необходимая скорость подачи масел в пусковой пе­ риод у большинства двигателей обеспечивается при вязкости от 50 до 500 Пз. Температуры, соответствующие динамической вязкости, рав­

Из данных табл. 47 следует, что загущенные масла имеют значи­ тельно лучшую прокачиваемость при холодном двигателе и поэтому обеспечивают лучшую смазку трущихся деталей в период пуска.

Плохие низкотемпературные свойства обычных масел вынуждают для облегчения пуска двигателя зимой прибегать к разбавлению масла бензином, дизельным топливом или веретенным маслом. При этом достигается существенное снижение вязкости масла и улучшение его прокачиваемости при низких температурах. В табл. 48 показано, что разбавление масла бензином на 10% в 1,5—2 раза снижает уровень вязкости при 100° С. Вязкость же этой смеси при температурах минус 20—30° С будет близка к вязкости загущенных масел при этих тем­ пературах.

155

Разбавление масла топливом применяется как вынужденная мера при отсутствии загущенных масел необходимого уровня вязкости. Разбавление снижает в масле концентрацию присадок и тем самым ухудшает качество масла. При разбавлении масла МТ-14п дизельным топливом противоизносные качества масла или критическая нагрузка Р1( (кгс) снижаются следующим образом:

Однако в условиях «масляного голодания», характерного для перио­ да холодного пуска двигателя, важно не только качество смазки, но и ее количество. В этом отношении разбавление масла топливом дает положительный эффект.

При разбавлении масла топливом следует иметь в виду, что при использовании для этих целей бензина последний в течение получаса работы двигателя испаряется и исходная вязкость масла восстанавли­ вается. При использовании для этих целей дизельного топлива пол­ ного испарения последнего не происходит, в масле остаются тяжелые фракции топлива, приводящие к необратимому разжижению масла. В этих случаях необходим тщательный контроль за вязкостью масла и своевременная его замена.

Применение полимерных присадок позволило создать масла для двигателей с вязкостными свойствами, одновременно удовлетворяю­ щими требованиям летней и зимней эксплуатации как карбюраторных, так и дизельных двигателей. Примером такого масла может служить загущенное долгоработающее масло ДВ-АСЗп-10.

Улучшение низкотемпературных свойств масла с помощью де прес­ сорных присадок. При охлаждении смазочного масла переход его из жидкого состояния в гелеобразное или твердое происходит постепенно

вдовольно широком диапазоне температур.

Впервую очередь из масла выкристаллизовываются высокоплав­ кие парафины. Кристаллы парафина соединяются друг с другом и создают каркас, лишающий масло подвижности. Полностью удалить парафины из масла невозможно, да и нет необходимости, так как най-

153

Т а б л и ц а 49

Эффект снижения температуры застывания масла от введения депрессаторов

дены соединения (депрессорные присадки), препятствующие образова­ нию каркаса и изменяющие характер кристаллизации парафина. По своей структуре присадки этого назначения представляют собой поверхностно-активные вещества, у которых одна часть молекулы полярная, а другая представляет длинную углеводородную цепь, хорошо растворяющуюся в масле. Распространена точка зрения, что депрессатор, адсорбируясь на мелких кристаллах парафина, препят­ ствует их росту и образованию сплошной кристаллической решетки (каркаса). Этим же объясняется некоторое улучшение текучести масла с депрессатором при низких температурах. Наиболее эффектив­ ны полимерные депрессаторы типа полиметакрилата Д. Эффективны и такие депрессаторы, как АЗНИИ-ЦИАТИМ-1, АФК, АЗНИИ (табл. 49). Депрессаторы в количествах до 1% способны понизить температуру застывания масла на 15—25° С.

§ 4. ПРОТИВООКИСЛИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА

Окисление масел в процессе работы их в двигателе приводит к об­ разованию лаков и нагаров на деталях и к накоплению различных продуктов окисления в самом масле.

Чем выше температура зон, куда попадает масло, тем более глубокие превращения оно претерпевает.

Исследованию процессов окисления минеральных масел посвящены' многочисленные работы и предложен ряд теорий и гипотез протекания этого сложного процесса (Черножуков Н. И., Крейн С. Э., Иванов К. И.). Общепринятым считается, что при окислении происхо­ дит ряд последовательных реакций, протекающих по радикально­ цепному механизму.

В результате окисления минеральных масел образуется целая гамма сложных продуктов окисления: различных спиртов, альдегидов, кис­ лот, в том числе и оксикислот, играющих главную роль в образова­ нии лака на деталях двигателя, и продуктов более глубокого окисле­ ния, химическое строение которых не установлено.

Основные превращения углеводородов масел при окислении проте­ кают по следующей схеме:

J57

дегиды — растворимы в масле, то продукты более глубокого окисле­ ния — асфальтогеновые кислоты, карбены и карбоиды — этой спо­ собностью уже не обладают. Асфальтены (продукты полимеризации смол) растворимы только в хлороформе, сероуглероде, бензоле, то­ луоле и нерастворимы в спирте и бензине. Поэтому разжижение масла бензином может привести к коагуляции и выпадению этих продуктов кз масла.

Карбены и карбоиды являются продуктами дальнейшего окисли­ тельного уплотнения асфальтенов и представляют собой высокомоле­ кулярные соединения, не растворимые ни в каких органических раст­ ворителях.

Рассмотренные продукты окисления, а также продукты разложения присадок, продукты износа и другие загрязнения составляют основу всех углеродистых отложений в двигателе.

Основными видами этих отложений являются нагары, лаки и низ­ котемпературные отложения.

Нагары— твердые, черного цвета углеродистые вещества, откла­ дывающиеся в двигателях на стенках камеры сгорания, на клапанах, свечах, днище поршня, верхнем пояске боковой поверхности поршня, на форсунках и в продувочных окнах. Нагары содержат также золь­ ные продукты распада присадок.

Лаки — тонкие, как правило, блестящие пленки из продуктов окисления масла от светло-желтого до темно-коричневого и даже чер­ ного цвета. Лаки откладываются в зоне поршневых колец, на юбке и внутренних стенках поршня, на шатунах, на стержнях клапанов, на стенках масляного поддона. Лаковые пленки очень прочны и имеют низкий коэффициент теплопроводности. Лаки способствуют пригоранию поршневых колец и перегреву деталей.

Низкотемпературные отложения (шламы) — мазеобразные отло­ жения в картере и на нерабочих внутренних поверхностях двигателя, особенно в зонах с пониженной температурой. Отложения этого типа характерны для условий зимней эксплуатации, а также при частых пусках, остановках и при работе двигателя на так называемом низко­ температурном режиме работы.

В зависимости от условий эксплуатации, типа масла и конструкции двигателя характер низкотемпературных отложений может быть раз-

158

личен и их состав может изменяться примерно в следующих пре­ делах, %:

Отложения этого типа наблюдаются в больших количествах в из­ ношенных двигателях, так как прорыв газов из камеры сжатия в кар­ тер способствует загрязнению масла продуктами окисления.

Отложение нагара на деталях начинается с образования лаковой пленки. В зонах высоких температур лаковая пленка обугливается. В ней происходят процессы коксообразования. Новые порции масла Увеличивают толщину нагара. В маслах с малым содержанием зольных присадок количество нагара увеличивается до определенных пределов, а затем рост его прекращается и устанавливается своеобразное рав­ новесие между образованием нагара и его выгоранием. При исполь­ зовании высокозольных масел (содержание золы более 1,5%) на порш­ нях могут быть большие зольные отложения, которые уже не выгорают и могут привести к перегреву и прогару поршней. Поэтому следует применять масла для карбюраторных двигателей с меньшей зольностью

(около 0,8%)..

На процессы нагарообразования, помимо масла, оказывает влия­ ние качество топлива и содержание в бензине тетраэтилсвинца.

Если масло обладает плохими противоокислительными свойства­ ми, это приводит к повышенному лако- и нагарообразованию в двига­ теле, пригоранию колец и другим нарушениям.

Для торможения процессов окисления масла и снижения нагаро- и лакообразования в двигателе используют противоокислительные присадки, такие, как диалкилдитиофосфаты цинка (присадка ДФ-11), диарилдитиофосфат цинка (присадка ВНИИНП-354), некоторые фенолы.

Присадки этого типа способны прерывать цепные процессы окисле­ ния, разрушать гидроперекиси и превращать активные радикалы (инициаторы окисления) в неактивные соединения.

Противоокислительным эффектом обладают и зольные присадки, в состав которых входят сера и фосфор (присадки ВНИИНП-360, ЦИАТИМ-339, ИП-22к и др.).

Для уменьшения низкотемпературных отложений в масла вводят полимерные присадки, например некоторые сополимеры, включающие высокополярные группы, или сукцинимиды (полимерные присадки, имеющие в своем составе аминные группы).

Противоокислительные присадки по своему действию бывают двух видов: разрушающие гидроперекиси с образованием неактивных сое­ динений (диалкилсульфиды, тиофосфотированные продукты) и свя­ зывающие активные свободные радикалы в неактивные (алкилфенолы, ароматические амины и др.).

159