Файл: Итинская, Н. И. Топливо, смазочные материалы и технические жидкости учеб. пособие.pdf

Г л а в а X

МАСЛА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

§ 1. Требования, предъявляемые к маслам

Несмотря на громадное разнообразие двигателей внут­ реннего сгорания, их разную степень форсирования, а следовательно, и теплонапряженность, к качеству смазоч­ ного масла предъявляются общие эксплуатационные тре­ бования.

1.При всех возможных режимах масло должно беспере­ бойно поступать к трущимся и охлаждаемым деталям дви гателя.

2.Должно обеспечивать минимальный износ деталей двигателя; затраты энергии на преодоление трения долж­ ны быть возможно меньшими.

3.Масло должно быть стабильным при хранении и при­ менении, при длительной работе в двигателе образовывать возможно меньше нагаро- и лакоотложений на горячих деталях двигателя, т. е. обладать хорошей термической устойчивостью и иметь высокие моющие свойства.

4.Не должно корродировать деталей двигателя, следо­ вательно, не только не содержать веществ, вызывающих

коррозию металлов, но в процессе работы также возможно меньше образовывать агрессивных соединений.

5.Не должно образовывать низкотемпературных от­ ложений, которые, накапливаясь на стенках маслоприемника, в маслопроводах и каналах, могут прекращать по­ дачу масла к трущимся деталям.

6.Не должно вспениваться и интенсивно испаряться. Эти эксплуатационные требования оцениваются рядом

физико-химических параметров, численные значения кото­ рых нормируются стандартом на каждую марку масла. В целом можно сказать, что для двигателей внутреннего сгорания нужны масла, имеющие оптимальную вязкость (вязкость должна быть минимальной, обеспечивающей жид­ костное трение при максимальных нагрузках и темпера­ турах). Для создания надежного масляного слоя в зазорах трущихся пар нужно, чтобы с повышением давления

2G0

масла увеличивали вязкость. Для обеспечения хороших пусковых свойств нужны масла с высоким индексом вяз­ кости, возможно меньше меняющие вязкость при измене­ нии температуры. Необходимо, чтобы температура засты­ вания масла была на 5—10° ниже той, при которой эксплу­ атируются двигатели. Масло должно обладать высокими смазочными свойствами, чтобы при неустановившихся режимах работы двигателя (переменные нагрузки, периоды пуска и прогрева), когда не обеспечивается жидкостное трение, износ трущихся деталей был минимальным.

Масло должно иметь высокую температуру вспышки (снижение испарения и угара при эксплуатации двигате­ лей). Масло, обладающее высокой термической устойчиво­ стью, которая в стандартах нормируется коксовым числом, термоокислительной стабильностью и моющими свойст­ вами в баллах, дает меньше высокотемпературных отло­ жений. В маслах не должно быть коррозийно-активных соединений. Содержание нестабильных или малостабиль­ ных углеводородов, способных во время работы масла в двигателе образовывать агрессивные продукты, должно быть минимальным. Следовательно, масла должны иметь благоприятный химический состав углеводородов, низ­ кую коррозийность, небольшое количество органических кислот и не должны содержать минеральных кислот и воды.

Моторные масла должны иметь высокую химическую стабильность, т. е. не менять своих свойств при хранении, быть однородными по составу, не содержать воды и меха­ нических примесей, особенно абразивного характера. Кро­ ме этого, масла должны быть дешевыми, недефицитными, нетоксичными и возможно менее огнеопасными.

Идеальных масел, в полной мере отвечающих всем пере­ численным требованиям, нет. Одни масла в большей, дру­ гие в меньшей степени обеспечивают те или другие эксплу­ атационные требования. Поэтому сорт и марку масла выбирают в соответствии с типом двигателя (дизельный, карбюраторный), его конструктивными особенностями (над­ дув, степень сжатия, частота вращения), теплонапряженностью, специфическими условиями эксплуатации. Теплонапряженностъ двигателя (q) — это количество тепла (Q), которое проходит в час через 1 м2 охлаждающей поверх­

ности стенки (F), т. е. q^-^r. Обычно общая теплонапря-

женность двигателя возрастает с повышением эффектив­

261

ного давления (ре), поэтому форсирование двигателей по эффективному давлению (наддув) резко повышает требова­ ния к качеству смазочного масла.

§ 2. Методы оценки эксплуатационных свойств моторных масел

Эксплуатационные свойства масел оцениваются лабо­ раторными методами и моторными испытаниями. Лабора­ торные испытания являются предварительными, они поз­ воляют за сравнительно короткое время с затратой неболь­ ших количеств испытуемых масел дать приблизительную характеристику некоторых эксплуатационных свойств. По­ сле лабораторных проводят моторные испытания вначале на малоразмерных двигателях или модельных установках, а затем длительные стендовые испытания на полноразмер­ ных двигателях.

Наиболее распространены следующие лабораторные испытания: 1) оценка окисляемости масел на приборе ДК-2 НАМИ. Масло в течение 50 ч подвергают окислению при температуре 200°. Окисленное масло разбавляют изооктаном, при этом выпадает осадок. Чем больше осадка, тем хуже стабильность масла; 2) определение коррозийности на приборе Пинкевича и ДК-2 НАМИ (стр. 236 и 237); 3) изменения, которые претерпевает масло в картере дви­ гателя, моделируются на установке ПЗЗ (стр. 237); оценка картерных свойств по коррозийности, образованию осад­ ка и испаряемости масла; 4) поведение масла в зоне ци­ линдро-поршневой группы оценивается термоокислитель­ ной стабильностью (стр. 219), склонностью к лакообразованию и моющими свойствами (стр. 222). Каждый из лабора­ торных методов с некоторым приближением воспроизводит условия работы масляного слоя в том или ином узле тре­ ния двигателя.

По результатам лабораторных испытаний различных эксплуатационных свойств масла решают вопрос о целесо­ образности испытания данного образца на моторных уста­ новках.

Окончательное заключение о пригодности того или другого масла для данного типа двигателя может быть дано только после проведения моторных испытаний. Вна­ чале проводят кратковременные (50—100 ч) сравнитель­ ные испытания на одноцилиндровом двигателе или модель­ ной установке, в этот период оценивают эффективные по­

262

казатели двигателя: развиваемую мощность, часовой и удельный расход топлива, интенсивность изнашивания деталей, количество и качество высокотемпературных от­ ложений, расход масла, изменения физико-химических показателей качества масла, количество и состав отложе­ ний на центрифугах и др. Испытанию нового образца ма­ сла предшествуют испытания двигателя на принятом для не­ го эталонном масле. Программа, длительность испытаний, условия их проведения должны быть строго идентичными для эталонного и опытного образцов. Сравнив результаты,

делают заключение о положительных и отрицательных свойствах опытного масла.

В период краткосрочных испытаний износ деталей дви­ гателя можно оценивать разными методами: суммарный износ по количеству железа, снимаемого с поверхностей трения (стр. 228); по потере веса отдельных деталей (коль­ ца, вкладыши); по методу искусственных баз — измере­ ние линейного износа; по уменьшению высоты искусствен­ но нанесенных на трущиеся поверхности углублений; методом радиоактивных изотопов.

Стандартной, единой методики моторных испытаний

масел пока нет, хотя в этом направлении ведутся обшир­ ные работы.

Все большее распространение при краткосрочных испы­ таниях масел находят установки УИМ (установки для ис­ пытания масел), разработанные НАТИ. Эта установка представляет собой одноцилиндровый отсек дизельного дви­ гателя, смонтированный на универсальном картере и обо­ рудованный различными измерительными приборами и приспособлениями. Разработано несколько модификаций таких установок, например УИМ-6 с наддувом и без него. При использовании наддува масло испытывают в более жестких условиях.

Если масло показало хорошие результаты при лабора­ торных исследованиях и кратковременных моторных испы­ таниях, то его проверяют длительной работой в стендовых условиях на полноразмерных двигателях. Стендовые испы­ тания обычно продолжаются 700—1000 ч, такой срок поз­ воляет выявить надежность работы двигателя. При дли­ тельных испытаниях износ определяется микрометрированием деталей двигателя. Микрометраж проводят перед началом испытаний и по прошествии установленного срока. Очень часто параллельно с микрометрированием износ определяют и другими методами.

263

Длительные испытания позволяют правильно оцепить состояние поршневой группы: количество и качество на­ гара и лака на деталях, состояние компрессионных и маслосъемных колец, количество высокотемпературных отложений в канавках, имеются ли залегшие или прихва­ ченные кольца, определить величину залегания по дуге и др . По стандарту загрязненность поршневой группы оценивается баллами (ГОСТ 12658—67). Масло счи­ тается пригодным для работы данного типа двигателя, если загрязненность деталей двигателя не превышает

15баллов.

Впродолжении всего периода испытаний придержи­ ваются строго определенной последовательности пуска, периода прогрева двигателя, выхода на полную нагрузку, фиксируются показатели двигателя: температура, давление, расход топлива и др. Ведут журнал расхода масла, отби­ рают пробы масел и отложений с маслофильтров на иссле­ дования. Правильно организованные и проведенные испы­ тания, экспертиза двигателя после окончания испытания, результаты анализов отобранных проб, выявленный износ деталей, эффективные показатели работы двигателя по­ зволяют сделать заключение о качестве испытуемого масла

иего пригодности для данного типа двигателя.

Все вышеизложенное показывает, что подбор масел для двигателей очень сложная и ответственная задача. Следо­ вательно, при эксплуатации необходимо использовать толь­ ко те масла, которые рекомендованы для данного типа дви­ гателей.

§ 3. Особенности работы масел в бензиновых, газовых и дизельных двигателях

У большинства транспортных двигателей осуществля­ ется принципиально одинаковая комбинированная система смазки. Шестеренчатым насосом из картера двигателя ма­ сло под давлением подается к коренным и шатунным под­ шипникам, к шестерням и подшипникам распределитель­ ного вала. Вращающийся коленчатый вал разбрызгивает излишки масла, поступающего из шатунных подшипников, которым и смазываются детали поршневой группы. Тем­ пературные условия работы масла очень различные: за­ частую пуск двигателя происходит при отрицательных, а иногда и довольно низких температурах (—25—35°). Высоковязкое масло при низких температурах насосом

264

должно быть подано в масляную магистраль и к деталям начинающего работать двигателя. Спустя некоторое время (5—15 мин), различное для неодинаковых климатических условий и двигателей разных конструкций, в масле уста­ навливается рабочая температура, соответствующая ре­ яшму работы двигателя, и будет осуществляться беспере­ бойная подача масла к трущимся деталям.

Температура масла зависит от типа двигателя и его кон­ структивных особенностей, но в среднем можно считать, что на днище поршня температура достигает 400°, на порш­ невых кольцах 200—280°, на юбке поршня 120—200°. В узлах трения коленчатый вал — шатунные и коренные подшипники масло нагревается до 130—170°, а в картере двигателя — до 70—110°. Температура в картере тесно связана с температурами окружающего воздуха и системы охлаждения, а также с частотой вращения коленчатого вала. Как высокие (выше 120°), так и низкие (ниже 60°) температуры масла в картере нежелательны, так как способствуют накоплению осадков. В прямой зависимости от температуры масла в картере двигателя находятся и температуры в различных узлах трения.

Непосредственно от температуры зависят процессы окисления масла; чем выше температура, тем интенсивнее изменения, происходящие с маслом. При работе любого узла трения как в двигателях, так и в других машинах и установках всегда происходят процессы старения и заг­ рязнения масел. Под старением подразумевается накопле­ ние в масле растворенных и взвешенных углеродистых веществ — продуктов окисления, термического разруше­ ния и других химических превращений. Загрязнение — это накопление в масле различных механических приме­ сей, воды, а в двигателях также продуктов сгорания топ­ лива. Чем тяжелее условия работы трущейся пары (температура, давление, скорость, действие агрессивных сред, запыленность, повышенная влаячлюсть и т. п.), тем интенсивнее изменения, происходящие с маслом.

Изменения качества масел в карбюраторных двигате­ лях. В сельскохозяйственном производстве широко исполь­ зуются бензиновые двигатели и в очень ограниченном ко­ личестве (на тракторах старых марок) — керосиновые. В процессе работы карбюраторного двигателя в масле на­ капливаются конденсат топлива, продукты, попадающие из камеры сгорания при прорыве газов, вода, механиче­ ские примеси и продукты окисления масла.

265

Чем тяжелее фракционный состав топлива и выше точка росы, тем больше тяжелых, высококипящих углеводо­ родов содержится в топливе. В карбюраторных двигате­ лях тяжелые углеводороды полностью не сгорают, а кон­ денсируются. Конденсат частично выбрасывается с вых­ лопными газами, а частично проникает в картер двигателя по стенкам цилиндров и накапливается в масле. Количе­ ство конденсата зависит от фракционного состава топлива, технического состояния двигателя и условий его работы. В бензиновых двигателях обычно содержится до 10% топ­ лива, в изношенных — до 15%, в керосиновых — до 20— 30%, в маслах из поршневых авиационных двигателей — отдельные проценты. Вред от конденсата, попадающего в масло, очень велик. Прежде всего топливо, стекая по стен­ кам цилиндра, смывает смазку; а попав в масло, уменьшает его вязкость, что может привести к нарушению жидкост­ ного трения. Кроме того, увеличивается расход топ­ лива.

Вместе с газами, прорывающимися в картер двигателя из камеры сгорания, в масло попадают частицы сажи и нагара, образующиеся при неполном сгорании топлива, а также пыль, проникающая в камеру сгорания вместе с засасываемым воздухом. В масло могут попадать элементы, входящие в состав антидетонаторов (РЬ, Вг), если двига­ тель работает на этилированном бензине; в небольших коли­ чествах попадают окислы серы, образующиеся при сго­ рании серы топлива. Постепенно в работающем масле накапливается и вода. Основная масса воды проникает вместе с продуктами сгорания топлива, иногда через не­ плотности системы жидкостного охлаждения двигателя и поддона картера, при небрежной заправке маслом и т. д.

Механические примеси, накапливающиеся в масле, делятся на органические и неорганические. В состав неор­ ганических примесей входят: металлы, снимаемые с по­ верхностей трения; кварциты, глиноземы из окружающего воздуха, свинец из антидетонатора и др. Органические или углеродистые продукты частично попадают из камеры сго­ рания, а большая их часть образуется в результате окис­ ления и термического разрушения масла. Интенсивность процессов окисления зависит не только от качества масла, но и от теплонапряжепности двигателя. В современных высокооборотных двигателях процессы окисления проте­ кают более интенсивно (в масле накапливается большое количество кислых и смолисто-асфальтовых соединений),

266

образуется большое количество высокотемпературных отложений.

Изменения качества масел в газовых двигателях. Газо­ вые двигатели могут быть газогенераторные и газобаллон­ ные. Транспортных газогенераторных установок в сель­ ском хозяйстве не осталось. Сейчас имеются и все больше применяются газобаллонные автомобили, работающие на сжиженном газе. В них масло загрязняется примесями, попадающими вместе с прорывающимися в картер газами,

атакже за счет процессов окисления самого масла.

Вгазобаллонных автомобилях газ до заполнения бал­ лонов проходит глубокую очистку и содержит очень не­ большое количество нежелательных компонентов. Газ полностью сгорает в двигателе, отсутствует разжижение масла. Поэтому масла из двигателей, работающих на сжи­ женном газе, чище, чем из других. В данных двигателях иногда наблюдается коррозия камеры сгорания, выхлоп­ ной системы и цилиндра двигателя за счет действия агрес­ сивных веществ, содержащихся в газе при недостаточно

тщательной его очистке (сероводород, окислы ванадия, аммиак). В работавших маслах в небольших количествах могут содержаться вода, механические примеси (пыль из окружающей среды, кусочки нагара, частицы металла, снимаемого с поверхностей трения), а также растворенные

ивзвешенные углеродистые продукты окисления масла. Изменения качества масел в дизельных двигателях. Бо­

лее высокие степени сжатия в дизельных двигателях уве­ личивают максимальное давление сгорания топлива рг, что приводит к большим нагрузкам в узлах трения. Быстро­ ходные дизельные двигатели имеют высокую теплонапряженность. Ничтожно малое время, отводимое на процессы смесеобразования и сгорания (0,005—0,009 с), не всегда позволяет обеспечить полное сгорание топлива. В продук­ тах сгорания обычно в больших или меньших количествах содержатся окись углерода, частицы сажи и другие соеди­ нения не полностью сгоревшего топлива.

Количество газов, прорывающихся из камеры сгора­ ния в картер двигателя, в несколько раз выше, чем в кар­ бюраторных двигателях. В топливе серы содержится 0,2 0,6%, а иногда и до 1,0%, это делает выхлопные газы кор­ розийно-активными. Прорывающиеся газы сильно ухуд­ шают качество масла, оно загрязняется углеродистыми продуктами, повышаются коррозийные свойства, особенно при пониженных температурах, когда возможна конден­

267

пыль из окружающего воздуха, так как дизели работают на более бедных смесях, следовательно для сжигания 1 кг топлива подается (на 50—60%) больше воздуха, чем в карбюраторные двигатели (при одинаковом коэффициенте очистки его воздухоочистителями). В состав неорганиче­ ских примесей могут входить компоненты присадки той части масла, которая попадает в камеру сгорания.

Основные изменения в масле происходят в результате накопления в нем большого количества различных осад­ ков, загрязняющих систему смазки двигателя. Образование осадков связано с интенсивным окислением и термическим разрушением масла, находящегося в тонком слое на горя­ чих деталях двигателя.

При неправильной регулировке топливной аппаратуры, плохом смесеобразовании, высокой вязкости топлива, пло­ хом техническом состоянии двигателя в дизельное масло попадают не только продукты неполного сгорания топлива, но также и само топливо, что снижает вязкость масла. В результате всех этих изменений на смазку деталей посту­ пает не однородное масло, а сложная дисперсная система из масла и различных частиц. Микроскопические исследо­ вания углеродистых частиц разных проб работавших ма­ сел показывают, что основная их масса имеет размеры около 1 мкм. В такой системе процессы накопления высоко­ температурных отложений протекают более интенсивно, чем в чистом масле. Это связано с тем, что лаковые отло­ жения образуются на деталях поршня (канавки, поршне­ вые кольца, бобышки, боковая поверхность и др.) не только за счет реакций окисления масла, но и за счет коагуляции углеродистых веществ, ранее накопившихся в масле, а также оседания и конденсации продуктов, поступающих из камеры сгорания. Первичные продукты окисления (ор­ ганические кислоты, смолы), находящиеся в растворенном состоянии, попадая в тонком слое масла на горячую метал­ лическую поверхность, являются хорошим цементирующим материалом для удержания различных включений.

Накапливающиеся лаковые отложения вызывают зале­ гание и пригорание поршневых колец в канавках поршня. Нарушается нормальная работа двигателя, кольца не выполняют свои функции, что ведет к значительно боль­ шему прорыву газов, резкому увеличению расхода масла, падению мощности, увеличению коэффициента трения и

268