книги из ГПНТБ / Дерябин А.А. Смазка и износ дизелей
.pdfА. А. Дерябин
СМАЗКА И ИЗНОС ДИЗЕЛЕЙ
Л Е Н И Н Г Р АД . «МАШИНОСТРОЕНИЕ» ЛЕНИНГРАДСКОЕ О Т Д Е Л Е Н И Е 19 7 4
Д36 УДК 621.89 : 621.436
Д е р я б и н А. А. Смазка и износ дизелей. Л., «Машинострое ние», (Ленингр. отд-ние), 1974, 184 с.
В книге рассматривается влияние отдельных функциональ ных свойств смазочных масел на износ, нагарообразование и на дежность работы дизеля. Излагаются результаты испытании но вых и перспективных смазочных масел на форсированных дизе лях и лабораторных установках. Приводятся описания методов моторной оценки эффективности смазки дизелей.
Книга предназначена для инженерно-технических работни ков, занимающихся проектированием, испытанием, эксплуата цией дизелей во всех сферах народного хозяйства, а также раз работкой и изготовлением моторных масел.
Табл. 58. Ил. 11. Список ЛИТ. 17 назв.
Ре ц е н з е н т д-р техн. наук В. А. Сомов
Ре д а к т о р канд. наук В- С. Демченко
334—139 Д 038 (01)—74 139—74
© Издательство «Машиностроение», 1974 г.
ВВЕДЕНИЕ
Директивами X X I V съезда КПСС по пятилетнему плану раз вития народного хозяйства СССР на 1971—1975 гг. предусмотрено уделить особое внимание развитию дизелестроения и производству газовых двигателей и газомотокомпрессоров, увеличить мото ресурс этих машин в 1,5—2 раза, а также увеличить срок работы автомобильных двигателей до капитального ремонта в . 1,3—1,5 раза. Для этого необходимо улучшить качество нефтепродуктов и их объем, обеспечить производство в основном малосернистого дизельного топлива, высокооктановых бензинов,.смазочных масел с высокоэффективными многофункциональными присадками, шире применять способы оптимального извлечения серы из не фтепродуктов. На состоявшемся в 1971 г. в Москве V I I I Миро вом нефтяном конгрессе этим вопросам было уделено большое внимание.
Влияние эксплуатационных, свойств смазочного масла на на дежность работы двигателя внутреннего сгорания и срок его службы трудно переоценить. Задачи форсирования двигателя, создания оптимальной его конструкции также тесно связаны со свойствами смазочного масла. Однако развивающаяся новая отрасль науки о применении смазочных масел в двигателях внут реннего сгорания — химмотология — еще не дала ответа на мно гие вопросы, касающиеся выбора наиболее эффективного масла для того или иного двигателя с учетом его конструкции, особен ностей, вида применяемого топлива и режимов работы. Более того, нет достаточно четких представлений о положительном и отрицательном влиянии отдельных функциональных свойств масла на поведение его в двигателях, о влиянии различных при садок на работу двигателей.
Химмотология еще не ответила, какие моющие, антикорро зионные и противоизносные присадки к смазочным маслам на иболее эффективны, какие преимущества и недостатки влечет за собой применение тех или иных присадок в различных двигателях. Отсутствие необходимых знаний в этих вопросах особенно заметно,
когда речь идет о применении смазочного масла в |
форсирован |
ных дизелях, где условия работы масла особенно |
тяжелые. |
В отличие от бензиновых карбюраторных двигателей смазочное |
масло в дизелях подвергается более интенсивному термическому воздействию и окислению; оно должно защищать детали дизеля
1* 3
от воздействия серной и сернистой кислот, образующихся при сго рании сернистого дизельного топлива, обладать свойствами, пре пятствующими «высаживанию» из масла и отложению углероди стых частиц (продуктов неполного сгорания топлива) на деталях дизеля и в маслосистеме.
Стремление улучшить моющие свойства масла и снизить лаконагарообразование на сильно нагретых деталях форсированных дизелей путем введения в масло металлсодержащих присадок в ряде случаев имеет отрицательную оборотную сторону. В резуль тате роста зольности масла с присадками повышается образова ние зольных отложений в камере сгорания двигателей и наблю дается проникновение золы в масло, что резко снижает его противоизносные и айтизадирные свойства, нарушает нормальную ра боту высоконагруженных деталей цилиндро-поршневой группы. Необходимость применения смазочных масел с хорошими вязкост ными свойствами, обеспечивающими нормальный запуск двига телей без подогрева масла, способствовало распространению загу щенных масел, что приводило к ухудшению моющих свойств, снижению стабильности масла, повышенному образованию угле родистых отложений, а использование синтетических масел не редко сопровождалось повышенным коррозионным износом деталей.
Применение некоторых присадок и их композиций для улучше ния качества моторных масел недостаточно обоснованно. Так, добавление присадки ДФ-1 к маслу МС-20, содержащему 3% присадки ЦИАТИМ-339, как показали испытания на лабора торных установках «Питтер AV-1» и на дизеле типа М-50, ухудшает моющие и антикоррозионные свойства этого масла, однако в те чение многих лет масло М-20Б (МС-20 с 3% присадки ЦИАТИМ-339 и 2% ДФ-1) применяется в высокофорсированных дизелях типа М-503. Присадка ЦИАТИМ-339, добавляемая в количестве 3—5% к минеральным маслам из сернистых нефтей, незначительно улуч шает их моющие свойства.
Вместе с тем, до сих пор вырабатывается несколько десятков тысяч тонн в год присадки ЦИАТИМ-339, разработанной еще в со роковых годах. Положительный эффект при ее добавлении наблю дался тогда, когда нефтеперерабатывающая промышленность производила масла в основном из малосернистых нефтей, и данная присадка добавлялась прежде всего для улучшения антикорро зионных свойств. К тому же форсирование двигателей, на которых в то время производились испытания, было значительно ниже, чем современных.
Появление в последнее время новых диспергирующих и анти окислительных беззольных присадок типа сукцинимида и бисфенольного антиокислителя, а также моющих алкилсалицилатных присадок на базе различных щелочно-земельных металлов позволяет значительно улучшить эксплуатационные качества мо торных масел для форсированных дизелей. Однако эффект приме-
4
нения новых присадок в значительной степени зависит от пра вильно выбранных композиций их с другими присадками, что, в свою очередь, требует достаточно глубоких знаний в области влияния различных присадок на функциональные свойства масел, как, например, на моющие, антикоррозионные, противоизносные, на склонность к образованию зольных отложений в камере сго рания дизелей и пр.
В 1963 г. в журнале «Химия и технология топлив и масел» № 2 была опубликована предложенная в 1961 г. специалистами ВНИИНП классификация моторных масел. По этой классификации все моторные масла было предложено разделить на семь групп по величине вязкости при 100° С и на шесть групп в зависимости от моющих свойств масел.
уппы |
Вязкость |
|
|
сх |
при 100° С |
|
|
и |
сСт |
А |
Б |
|
|||
1 |
6 + 0,5 |
М-6А |
М-6Б |
2 |
8 ± 0 , 5 |
М-8А |
М-8Б |
3 |
10±0,5 |
М-10А |
М-10Б |
• 4 |
12±0,5 |
|
М-12Б |
5 |
14±0,5 |
|
М-14Б |
6 |
16 + 0,5 |
|
М-16Б |
7 |
2 0 ± 0 , 5 |
|
М-20Б |
Группы масел
в |
г |
Д |
Е |
М-6В М-8В М-8Г
М-10В М-ЮГ
М-12В |
М-12Г |
М-12Д |
М-12Е |
М-14В |
М-14Г |
М-14Д |
М-14Е |
М-16В |
М-16Г • |
М-16Д |
М-16Е |
М-20В |
М-20Г |
М-20Д |
М-20Е |
Для полного удовлетворения нужд народного хозяйства эта классификация предусматривала применение в перспективе 31 сорта моторных масел вместо значительно большего количества выпускавшихся в то время марок моторных масел и не обеспечи вавших полностью потребности быстро развивающегося моторо строения.
По мере создания новых двигателей, новых присадок и их композиций к существующим маркам масел добавлялись новые. Например, масла группы В выпускались со следующими компо зициями присадок:
ВНИИНП-360 и ПМС-200А (М-12В и М-14В); ВНИИНП-370, ПМС, Л3-23к и ПМС-200А (М12В); БФК, СБ-3, Л3-23к и ПМС-200А (М-12В); ЦИАТИМ-339, ПМС, ДФ-11 и ПМС-200А (М-8В);
ЦИАТИМ-339, ПМС, ВНИИНП-354 и ПМС-200А (М-8В); ВНИИНП-360, ПМС, ДФ-11 и ПМС-200А (М-8В);
ВНИИНП-370, ПМС, |
В-167, Л3-23к и ПМС-200А (М-8В); |
АСБ, ПМС-В, ДФ-11 |
и ПМС-200А (М-14ВС); |
5
ПМС, СВ, ПМАД, ДФ-11 и ПМС-200А (М-8В); ВНИИНП-603, СК, СВ, АзНИИ-ЦИАТИМ-1, ДФ-11 и
ПМС-200А (М-8В); БФК, ЛАНИ-317 (М-12В);
ВНИИНП-371, ДФ-11 (М-12В-7); Монто 613 и Сантолюб 493 (М-14ВИ).
Появилось несколько новых масел М-16Е с присадками: MACK и Л3-23к (М-16Е); .
ВНИИНП-370, ПМС, Л3-23к (М-16Е-30); ВНИИНП-370, Сантолюб 621, Л3-23к (М-16Е-60); ВНИИНП-603, АСМ, ДФ-1 (М-16Е-14); БФК-30, АСБ, АБЭС (М-16Е-20) и др.
Чтобы различать масла внутри одной группы, стихийно стала создаваться дополнительная цифровая и буквенная индексация, например: М-12В-7, М-14ВЦ, М-16Е-30, М-16Е-60, М-16Е-14.
У масел М-12В-7 и М-16Е-14, разработанных заводом им. Ша умяна, дополнительная цифровая индексация указывает поряд
ковые номера новых масел. |
У масла М-14ВЦ, |
разработанного |
ВНИИНП, дополнительная |
буквенная индексация указывает, |
|
что в масле имеется присадка |
ЦИАТИМ-339, а у масел М-16Е-30 |
|
и М-16Е-60 дополнительная цифровая индексация |
регламентирует |
|
величину щелочности масел. |
|
|
В1972 г. в нашей стране имелось более 70 марок моторных масел, на которые были утверждены ГОСТы и технические условия [16]. Но несмотрЯчНа это, ассортимент их не полностью удовлетворял разнообразные потребности моторостроения. Проблема унифика ции моторных, картерных и цилиндровых масел до сих пор яв ляется весьма актуальной.
Вданной книге делается попытка показать и объяснить зна чение для работы форсированных дизелей отдельных функцио нальных свойств смазочных масел, таких, как моющие, золообразующие, антикоррозионные и противоизносные, обосновать эф фективные пути их улучшения и наиболее надежные, по мнению автора, методы их оценки.
Глава I
ВЛИЯНИЕ ЛАКОНАГАРООБРАЗОВАНИЯ НА РАБОТУ ДИЗЕЛЯ. МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ СКЛОННОСТИ МАСЕЛ
КЛАКОНАГАРООБРАЗОВАНИЮ
1.МЕХАНИЗМ ЛАКОНАГАРООБРАЗОВАНИЯ
И ЗАГРЯЗНЕНИЯ МАСЛА В ДВИГАТЕЛЯХ
Современные двигатели внутреннего сгорания имеют в зоне верхнего поршневого кольца при работе на форсированных режи мах температуру выше 250° С. Еще более высокие температуры отмечены в зоне тюльпанов клапанов, продувочных и выхлопных окон, на днище поршня и некоторых поверхностях камеры сго
рания. Минеральные |
масла, |
состоящие из |
высокомолекулярных |
||
нафтеновых, ароматических, |
парафиновых |
углеводородов |
и не |
||
большого количества |
соединений, содержащих |
серу, кислород |
|||
и азот подвергаются |
при этих температурах |
окислению, |
раз |
ложению, полимеризации, конденсации и коксованию. Продукты окисления, разложения, окислительной .полимеризации и конден сации, образующиеся в процессе работы, накапливаются в масле и откладываются на деталях двигателя.
Образование твердых нерастворимых в масле продуктов его окисления и уплотнения (карбенов, карбоидов, асфальтенов, смол) в зоне поршневых колец и канавок поршня приводит к защемле нию и пригоранию поршневых колец, снижению мощности дви гателя, повышенным износам и задирам. Значительные отложения твердых углеродистых частиц на внутренней стенке канавок пор шневых колец могут вызвать «распирание» колец и, как следствие, повышенные износы и задиры на гильзах цилиндров. Продукты окисления, коксования и озоления масла покрывают днище пор шня. Нагар, образующийся на днище поршня, существенно изме няет степень сжатия двигателя и так же, как и образование лака и нагара на боковой и внутренней поверхностях поршня, ухудшает теплоотвод в масло. Твердые углеродистые частицы и другие про дукты конденсации и окислительной полимеризации масла заби вают дренажные отверстия поршня и приводят к резкому увели чению проникновения масла в камеру сгорания. Растет угар масла. Обильное нагарообразование на днище и на боковой поверхности поршня выше первого компрессионного кольца часто является причиной «натиров» на гильзе и боковой поверхности поршня вслед
ствие нарушения |
масляной пленки |
и появления |
полусухого |
и сухого трения. |
Отложение нагара |
на тюльпанах |
и штоках |
всасывающих и выхлопных клапанов, в продувочных и выхлоп ных окнах двухтактных двигателей нарушает процессы смесе
образования и сгорания, приводит к неполному сгоранию топлива, повышает дымность выхлопа, снижает коэффициент наполнения и мощность двигателя.
Образование продуктов окисления, конденсации и углероди стых частиц приводит к увеличению в масле механических приме сей, смол и кислых продуктов. Углеродистые частицы, как правило, полностью не задерживаются фильтрами и не отделяются специ ально установленными центрифугами, а, циркулируя вместе с ма слом по масляной системе двигателя, откладываются в клапанной коробке, в картере, в полых быстровращающихся деталях (ко ленчатый вал, муфты, ротор нагнетателя) забивают пути прохода масла и нарушают нормальную работу масляной спстемы. Не редко основной причиной заклинивания, задира и выплавления коренных и шатунных подшипников дизелей является закупорка углеродистыми отложениями, выделившимися из масла, масляных каналов и отверстий для прохода масла на смазку подшипников.
Кислые продукты, образующиеся в масле, увеличивают его коррозионную агрессивность, вызывают коррозионное разруше ние подшипников из цветных металлов и коррозионный износ стальных деталей двигателя, в результате часто снижается его долговечность. Все это справедливо как для бензиновых двигате лей, так и для дизелей. Но при работе масла в дизелях углероди стые частицы, откладывающиеся на деталях дизеля и загрязняю щие масло, образуются в неизмеримо большем количестве и прежде всего за счет продуктов неполного сгорания дизельного топлива.
В дизеле главным источником загрязнения масла и нагарообразования, по нашему мнению, являются продукты неполного сгорания топлива (сажа), тогда как в бензиновых карбюраторных двигателях загрязнение масла и нагарообразование на деталях идет в основном за счет окисления, термоокисилительной полиме ризации, конденсации и коксования углеводородов и соединений, содержащих серу, кислород и азот, имеющихся в масле.
Однако более распространена иная точка зрения по этому вопросу, которая сводится к утверждению, что в любом двигателе внутреннего сгорания основное загрязнение масла и отложение нагара на деталях цилиндро-поршневой группы происходят за счет окисления, неполного сгорания, термоокислительной полимери зации, конденсации и коксования углеводородов и соединений со держащих серу, кислород и азот, имеющихся в масле, а топливу отводится второстепенная -роль. Сторонники этой точки зрения утверждают, что количество образующихся углеродистых приме сей в масле при его работе в дизеле больше, чем в бензиновом двигателе с зажиганием от искры вследствие более высокой тер мической напряженности дизеля, что главный источник образова ния этих примесей — масло. Хотя эта точка зрения не отвергает влияния химического и фракционного состава дизельного топлива, а также содержащейся в нем серы на нагарообразование в ди зеле, она может послужить источником неправильной оценки
8
эксплуатационных свойств масел. С целью подтверждения техни чески правильного взгляда на механизм нагарообразования и за грязнения масла углеродистыми частицами в дизеле и бензиновом карбюраторном двигателе был проведен следующий эксперимент.
Первоначально было установлено, что синтетическое масло СМ-8, изготовленное на основе эфира пентаэритрита монокарбо- новых-синтетических жирных кислот (С5 —С9 ) и адипиновой ки слоты, при работе в бензиновом карбюраторном двигателе прак тически не дает отложений нагара и лака на деталях цилиндропоршневой группы (лишь на днище поршня образуется тонкая пленка светло-коричневого цвета). При этом смазочное масло незначительно изменяет свой цвет от соломенно-желтого до светлокоричневого. В аналогичных условиях при работе на минераль ных маслах образуется большое количество нагара и поршни покрываются темно-коричневым лаком. Наоборот, при работе даже нефорсированного дизеля на синтетическом масле СМ-8 образуется большое количество нагара на днище поршня, в канавках поршне вых колец, на юбке поршня, в камере сгорания и в клапанной коробке. Масло при этом становится черным и содержит большое количество механических примесей.
Замеры температур выхлопных газов дизеля и карбюраторного двигателя, на которых производился эксперимент, показали, что они практически одинаковы (у выхлопных газов бензинового дви гателя температура оказалась даже несколько выше). Следова тельно, основное влияние.на образование нагара и загрязнение масла углеродистыми частицами в дизеле оказал процесс сгорания топлива. В дизеле вследствие неполного сгорания топлива, идет интенсивное^нагарообразование и загрязнение масла углероди стыми частицами. В бензиновом карбюраторном двигателе с за жиганием от искры этого практически не происходит.
В табл. 1 приведены данные, полученные в процессе указанных испытаний, экспериментально подтверждающие различие меха низма нагарообразования и загрязнения масла в карбюраторном бензиновом двигателе и в дизеле.
Другим подтверждением точки зрения коренного различия процессов загрязнения масла в дизеле и в бензиновом карбюра торном двигателе является изменение цвета отработанного в ди зеле масла от черного до светло-коричневого после простой филь трации через бумагу. Цвет отработанного масла из карбюратор ного бензинового двигателя таким путем изменить не удается, так как изменение цвета в этом случае произошло не за счет про дуктов неполного сгорания топлива, а вызвано продуктами окис
ления, конденсации и |
термоокислительной |
полимеризации самого |
масла. Эти продукты |
растворены в масле |
и не задерживаются |
в отличие от сажи бумажным фильтром. |
|
Наконец, подтверждением того, что в дизеле основное загряз нение происходит за счет продуктов неполного сгорания топлива (сажи) являются данные эксперимента, проведенного на двух
9