Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости

Раздел: Техника

Основные факторы, влияющие на изменение показателей качества масел

Условия работы масла в современных двигателях настолько сложны и напряженны, что его первоначальные свойства начинают изменяться, причем, как правило, в худшую сторону. Высокие температуры и контакт с кислородом воздуха являются основной причиной окислительной полимеризации углеводородов. Важным фактором ухудшения показателей масла является накопление в нем продуктов износа двигателя (в основном железа и его соединений), а также загрязнений, попадающих в масло из внешней среды.

Содержащаяся в топливе в виде органических соединений сера способствует ухудшению свойств моторного масла. Кроме того, появляющаяся в масле вода (от конденсации водяных паров, прорвавшихся в картер отработавших газов и паров воды, всегда имеющихся в воздухе) также способствует образованию веществ, вредно влияющих на качество масла. Следует иметь в виду, что в условиях реальной эксплуатации двигателей эти факторы действуют одновременно, и их влияние оказывается очень сложным.

При определении изменения показателей качества работающего масла обычно отбирают его пробу в количестве 200—250 мл. В лабораторных условиях по стандартизованным методам определяют вязкость масла, содержание топливных фракций, воды, горючих (органических) и негорючих примесей, водорастворимых кислот и щелочей, коксуемость и температуру вспышки. При более тщательных исследованиях определяют количество продуктов износа (в основном железа) активных элементов присадок (Са, Ва и др.).

На вязкость масла в процессе его работы влияют три фактора.

1. Образование продуктов окислительной полимеризации. Эти продукты, обладая высокой вязкостью, при накоплении в масле увеличивают и его вязкость. Чем меньшей термоокислительной стабильностью обладает масло и чем выше температурный режим его работы, тем в большей степени увеличивается его вязкость. Ухудшаются при этом и вязкостно-температурные свойства масла (уменьшается ИВ), и может значительно повыситься температура засты- мания, так как продукты окислительной полимеризации обладают плохими вязкостно-температурными свойствами.

2.         Попадание в масло топливных фракций, которые понижают по вязкость. Поэтому всегда рекомендуется при оценке изменения ннзкости масел определять в нем количество топливных фракций. \}) этом легко убедиться, проведя исследования масел при работе- двигателя на жидком и газообразном топлиге. При использовании газа в качестре топлива разжижения масла тслливом не происходит, н его вязкость всегда увеличивается.

3.         Механическая деструкция загустителя (полиизобутилена и др.) под действием высоких механических нагрузок в узлах трения ДРИ- кггеля. Этот фактор действует только на специальные загущенные масла. Молекулы загустителя (имеющие молекулярпую массу 10000— 15000) разрушаются, вязкость его уменьшается, и, как следствие уменьшается вязкость масла.

Вязкость масла в процессе его применения может изменяться не только от продолжительности его работы, ю и от таких факторов, как режим работы и степень износа двигателя. Например, длительная работа двигателя па холодных режимах может вызвать увеличение количества топливных фракций и, следовательно, снижение ьязкости масла. Наоборот, напряженная эксплуатация при высокой окружающей температуре существенно повышает вязкость масла. При использовании всесезопиых загущенных масел наблюдается обратное явление. Присутствие в масле топливных фракций может быть определено по температуре вспышки. Недостаток этого метода заключается в необходимости иметь для сравнения некоторое количество свежего масла, которое было использовано для заправки двигателя, той же марки и той же партии, а это ie всегда оказывается возможным.

Определение кислотного числа для современных масел, содержащих комплексные присадки, может оказаться малоэффективным, так как свежее масло обладает значительным «запасом» щелочности. Более надежным и методически правильным является определение коррозионной активности масла или на приборе ДК-2 (НАМИ), или по Пинкевичу.

Серьезным фактором, ухудшающим качество масла в процессе его работы, является загрязнение ( 31). Рассмотрение структуры процесса загрязнения показывает, что старение моторного масла происходит по следующим направлениям;

сложные процессы химических превращении самих углеводородов масла (окислительная полимеризация и др.И загрязнение продуктами сгорания топлива: загрязнение продуктами срабатывания присадок; загрязнение продуктами изнашивания двигателя и продуктами, попавшими в масло из внешней среды.

Все эти загрязнения постепенно накапливаются в масле в процессе его работы.

Для определения содержания примесей применяют мегод, основанный на фильтрации мэсла через специальные беззольные бумажные фильтры в лабораторный условиях.

С высокой точностью на аналитических весах определяют массу фильтра до отложения на нем осадка и после. По разности масс вычисляют суммарную массу осадка, находящегося в определенной навеске исследуемого масла. Затем, используя последовательно различные растворители (бензол, хлороформ, четыреххлори- стый углерод, пиридин), промывают фильтр, После каждой промывки бумажный фильтр доводят до постоянной массы. И по разности определяют количество оставшегося на фильтре компонента примесей. Так определяют состав органических примесей, состоящих обычно из асфальтенов, карбенов и карбоидов.

Для определения массы негорючего компонента беззольный фильтр вместе с оставшимися на нем после промывки примесями сжигают в муфельной печи, а оставшаяся после сжигания масса представляет собой негорючие компоненты. Обычно так определяют и зольность масла. В золе содержатся и металлы солеи органических кислот, находящихся в масле в растворенном состоянии, которые при промывке суммарных примесей удаляются и не попадают в негорючий компонент. Типичное суммарное содержание примесей в работавшем масле, по данным многочисленных анализов, находится в пределах 1—4 % массы масла.

Изменение показателей качества моторных масел

Рассмотрим характер изменения показателей качества, На графике ( 32) показана динамика старения моторного масла в наиболее неблагоприятных условиях эксплуатации легкового автомобиля такси (ГАЗ-24) при его работе в большом городе. Резкие разгоны, торможение, короткие и длительные остановки, низкий температурный режим картерного масла, сочетающийся с высокой тепловой напряженностью цилиндропоршневой группы и шатунных подшипников, — все это очень неблагоприятно влияет па состояние масла.

Окисление масла (кривая 5) в первые 10 тьс. км пробега быстро прогрессирует, потом темп постепенно снижается и после 50 тыс. км пробега практически стабилизируется. В масле накапливаются продукты с высоким содержанием органических кислот (в основном карбонильные и нитроэфирные группы). Примерно тот же характер, что и окисление масла, имеет процесс срабатывания присадки, о чем можно судить по уменьшению щелочного числа (кривая 2).

В результате накопления продуктов окислительной полимеризации, изнашивания деталей двигателя и попадания в масло примесей из внешней среды непрерывно растет в масле количество суммарных примесей (кривая 3). За 80 тыс. км пробега их количество достигает 1 С четко выраженным максимумом при 50 тыс. км пробега изменяется отношение общего (суммарного) содержания примесей к количеству крупнодисперсных частиц, что свидетельствует о сложной зависимости диспергирующих свойств масла от длительности его работы (кривая 4), Срабатывание диспергирующей присадки характеризуется непрерывным уменьшением индуктивного периода осадкообразования (кривая /).

При системном рассмотрении процесса старения масла особенно четко проявляется вся сложность этого явления. системная связь двигателя, топлива, масла и их взаимное влияние. Причем все три входящих в систему компонента можно рассматривать как самостоятельные подсистемы. Рассмотрим динамику этой системы. Двигатель в зависимости от типа, конструкции, степени форсирования, условий эксплуатации предъявляет как топливу, так и смазывающему его маслу ряд требований. Полагаем, что перед началом эксплуатации и топливо и масло в основном удовлетворяли этим требованиям. Как только началась работа двигателя, началось и взаимовлияние всех трех компонентов системы. Эти связи могут быть классифицированы как прямые и обратные.

Примером прямых связей является разжижение масла топливом, когда тяжелые (хвостовые) фракции бензина, не успев испариться, попадают на масляную пленку цилиндра, частично смывают ее и затем, попадая в картерное масло, разжижают масло, понижая его противоизносные свойства. Одновременно начинает действовать -обратная связь. В результате смывания масляной пленки с зеркала цилиндра начинается интенсивное изнашивание цилиндропоршневой группы. Прогрессирующее изнашивание создает благоприятные условия для увеличения прорыва отработавших газов в картерное пространство, что ускоряет процессы старения картерного масла. Накопление в масле продуктов окислительной полимеризации также влияет на его противоизносные свойства. Таким образом возникает замкнутый контур взаимовоздействий топлива, масла и двигателя.

В реальных условиях работы двигателя образуется несколько подобных контуров, которые начинают взаимодействовать между собой, и тогда их влияние друг на друга принимает сложный многоконтурный системный характер. Рассмотрим пример многоконтурного (многомерного) взаимодействия топливо—двигатель—масло по критерию топливной экономичности. Первый контур образуется системой топливо—рабочий цикл—гидромеханические потери— топливная экономичность. Второй контур масло—вязкость—гидромеханические потери—топливная экономичность.

Таким образом, оба контура взаимодействуют через критерий гидромеханических потерь и имеют общий выходной (критериальный) параметр — топливную экономичность.

Главным командным параметром первого контура является детонационная стойкость применяемого топлива, так как рассматривается двигатель с искровым зажиганием.

Главным командным параметром второго контура является индекс вязкости масла, т. е. его вязкостно-температурная характеристика. Общим выходным параметром обеих систем является топливпая экономичность двигателя. Промежуточные звенья первого кон- тура детонационная стойкость — степень сжатия — индикаторный КПД — механический КПД. Промежуточные звенья второго контура вязкостно-температурная характеристика — температура масла — гидромеханические потери — механический КПД.

Таким образом, оба контура имеют одно общее промежуточное пвено, через которое они объединяются в общую двухконтурн\ю (двумерную) систему, имеющую один общий шход — эффективный КГ1Д, т. е. критерий топливной экономичности, По этому принципу системного подхода могут быть смоделированы и найдены оптимальные количественные взаимосвязи многомерных систем, связывающих в общий комплекс топливо, смазывающие и охлаждающие материалы.

Охлаждающие материалы тоже могут быть включены в системный анализ как самостоятельная подсистема.

На примере простейшей двухконтурной системы были показаны большие возможности, которые открываются при использовании системного подхода в химмотологии.

По многомерным структурам могут быть составлены соответствующие программы для ЭВМ, по которым, в свою очередь, определены оптимальные показатели качества топлива, смазочных и охлаждающих материалов, надежности двигателя, по критерию его- применения в экстремальных условиях (в Арктике, тропиках, высокогорных условиях, при работе в карьерах и т. д.).