Анализ масляных фракций
Основное назначение нефтяных масел заключается в уменьшении силы трения между твердыми поверхностями движущихся частей машин и механизмов.
По способу производства нефтяные масла подразделяются на дистиллятные, остаточные и смешанные. Основными показателями масел являются вязкость и ее изменение с изменением температуры, подвижность при низких температурах, устойчивость против окисления кислородом воздуха, защита металлов от коррозионного воздействия внешней среды, температура вспышки.
Перед выполнением работы необходимо изучить следующие вопросы:
- 1. Основные ГОСТированные показатели качества масел, их значение.
- 2. Вязкость масел и вязкостно-температурная зависимость как основные характеристики смазочных масел. Определение кинематической вязкости по ГОСТ 33-82.
- 3. Температура вспышки как качественный показатель смазочных масел. Определение сс в приборах открытого и закрытого типов (ГОСТ 6356-76 и ст. СЭВ 5469-86).
- 4. Цвет масел. Необходимость и методика его определения.
Вязкость и температурно-вязкостная зависимость масел
Вязкость является основной характеристикой нефтяных масел. В зависимости от удельной нагрузки, характера к скорости движения трущихся поверхностей, а также температуры в узле трения требования к вязкости смазочных масел весьма различны. Поэтому сорта и марки масел по вязкости отличаются друг от друга в широком интервале.
Для масел, работающих в широком диапазоне температур (например, авиационных), большое эксплуатационное значение имеет вязкостно-температурная характеристика, обеспечивающая достаточную пологость температурной кривой вязкости. При высоких температурах масла не должны сильно разжижаться, а при низких, наоборот, не терять текучести.
Наиболее крутую вязкостно-температурную кривую имеют полициклические углеводороды с короткими боковыми цепями (особенно если в молекуле более трех колец). Наличие длинных боковых насыщенных цепей в молекулах циклических углеводородов улучшает этот важный показатель.
Вязкостно-температурные свойства смазочных масел в соответствии с ГОСТ оцениваются следующими показателями: отношением кинематической вязкости масла при 50 °С к кинематической вязкости того же масла при 100 °С, температурным коэффициентом вязкости и индексом вязкости.
Необходимо определить кинематическую вязкость исследуемой масляной фракции при температурах 50 и 100 °С. Анализ кинематической вязкости производится по ГОСТ 33-82 с предварительный подбор необходимых капиллярных вискозиметров по допустимому времени истечения (300±180 с). Исследования масел при одной температуре проводятся не менее трех раз для получения сходимых результатов.
2. Свойства моторных масел
Важнейшими эксплуатационными свойствами моторных масел являются: вязкостно-температурные (вязкость, индекс вязкости, температура застывания), противоизносные, противоокислительные, диспергирующие (моющие), коррозионные и др.
Вязкостно-температурные свойства. Вязкость и ее зависимость от температуры являются важнейшим показателем качества моторных масел.
От вязкости масла зависит его способность обеспечить жидкостное, гидродинамическое трение в подшипниках, а, следовательно, их нормальную работу. Вязкость масла влияет на изнашивание шеек коленчатого вала и вкладышей подшипников. От вязкости масла зависит количество отводимой от узла трения теплоты. Чем меньше вязкость, тем лучше охлаждается подшипник, так как через него прокачивается больше масла, а следовательно, и больше теплоты отводится вместе с ним из зоны трения.
Выбор оптимальной вязкости масла усложняется тем, что она очень зависит от температуры. Например, при понижении температуры от 100 до 50 °С вязкость может увеличиться в 4—5 раз. При охлаждении моторных масел до 0 С и тем более до отрицательных температур их вязкость увеличивается в сотни и тысячи раз.
За многие годы изучения зависимости вязкости от температуры было предложено много способов построения вязкостно-температурных характеристик и формул, выражающих эту зависимость. Но лишь немногие из них дают удовлетворительную сходимость результатов расчета и практического определения вязкости вискозиметром. Это объясняется в первую очередь тем, что масла представляют собой жидкости, молекулы которых, имея сложное строение, образуют различные структуры, зависящие как от молекулярной массы, так и от группового химического состава масла.
Для описания зависимости вязкости моторных масел от температуры практически используют уравнения Вальтера и советского химмотолога Рамайя.
Формула Вальтера в экспоненциальной форме имеет вид
,
где 
— кинематическая вязкость, мм 2 /с, при температуре t ,°С; Т — абсолютная температура; а — коэффициент, зависящий от индивидуальных свойств жидкости.
Для современных масел лучшие совпадения с опытными данными получаются при а = 0,6.
Формула Рамайя имеет вид
,
где 
— динамическая вязкость масла;Т — абсолютная температура;
А и В — коэффициенты, постоянные для данного масла.
Формула позволяет представить вязкостно-температурную характеристику масла в координатах аргумент 1/Т — функция 
.
Практическое применение обеих формул показало удовлетворительное совпадение результатов расчета с опытными данными. Несколько большую точность дает формула Рамайя. Принципиальным недостатком этих уравнений является их эмпирический характер, не вскрывающий сущности физических явлений, происходящих в маслах при изменении их температуры.
На основе уравнений Вальтера и Рамайя построены и напечатаны специальные координатные сетки, на которых можно быстро построить вязкостно-температурные кривые различных моторных масел.
Практически зависимость кинематической вязкости от температуры можно изображать в трех системах координат. В диапазоне температур 50-100 °С проще всего вязкостно-температурную характеристику строить в координатах t и 
(рис. 1). При более широком диапазоне температур, например, от температуры застывания масла до 100 °С, рекомендуется применять сетку координат Рамайя (рис. 2).
Рис. 1. Вязкостно-температурная
характеристика масла в
Рис. 2. Вязкостно-температурная характеристика масла в координатах Рамайя
Очень важной является задача количественной оценки крутизны вязкостно-температурной кривой. Предложено несколько таких оценочных параметров.
1. Отношение кинематических вязкостей vso и v100. Этот простой и надежный параметр характеризует крутизну вязкостно-температурной кривой в относительно узком диапазоне температур прогретого масла, но не позволяет оценить ее в наиболее важной области низких температур, оказывающих решающее влияние на пусковые характеристики двигателя. Для моторных масел, применяемых летом или в условиях жаркого климата, v50/v100 < 6; для масел, предназначенных к применению зимой и особенно в северных районах, v50/v100 < 4.
2. Температурный коэффициент вязкости (ТКВ) при температурах от 0 до 100 °С
При оценке крутизны вязкостно-температурной кривой в условиях низких температур ТКВ дает более четкую картину, чем отношение v50/v100. Для зимних масел ТКВ0-100 <: 22, для всесезонных < 25, для летних < 35—40.
3. Индекс вязкости (ИВ). В современных отечественных и зарубежных стандартах для оценки крутизны вязкостно-температурной кривой применяют показатель ИВ, основанный на сравнении масла с двумя эталонами.
Один из этих эталонов характеризуется крутой вязкостно-температурной кривой, а другой — пологой. Эталону:
— с крутой кривой присвоен индекс вязкости, равный 0,
— а эталону с пологой кривой — 100.
Чем выше ИВ масла, тем более пологая вязкостно-температурная кривая и тем лучше масло для зимней эксплуатации.
На рис. 3 приведен график, поясняющий принцип определения вязкостно-температурных свойств масел с помощью ИВ. На графике изображены вязкостно-температурные характеристики трех масел: двух эталонных (верхняя и нижняя кривые) и одного исследуемого (средняя кривая).
Рис. 3. Оценка вязкостно-температурной характеристики масла по ИВ:
1 – эталонное масло с ИВ=0;
2 – то же с ИВ=100;
3 – исследуемое масло
Практически ИВ вычисляют по формуле (ГОСТ 25371—82)
где v — кинематическая вязкость масла при 40 °С с ИВ = 0 и имеющим при 100 °С такую же кинематическую вязкость, как испытуемое масло, мм 2 /с; v1 — кинематическая вязкость испытуемого масла при 40 °С, мм 2 /с; v2 — кинематическая вязкость масла при 40 °С с ИВ = 100 и имеющим при 100 °С такую же кинематическую вязкость, как испытуемое масло, мм 2 /с; v3 = v—v2.
Вязкостью называется свойство жидкости оказывать сопротивление при перемещении ее слоев под действием внешней силы. Это свойство является следствием трения, возникающего между молекулами жидкости. Различают динамическую и кинематическую вязкость.
Вязкость существенно меняется с изменением температуры. С понижением температуры взаимодействие между молекулами усиливается, и вязкость масла увеличивается. Так, например, при изменении температуры на 100 °С вязкость масла может изменяться в 250 раз. Учитывая линейный характер зависимости, можно по номограмме определить вязкость масла при любой температуре.
С повышением давления вязкость масла возрастает. Величины давления в масляной пленке, заключенной между трущимися поверхностями, могут быть значительно выше, чем сами нагрузки на эти поверхности. В масляной пленке коренного подшипника коленчатого вала двигателя величина давления достигает 500 МПа.
С повышением давления вязкость более жидких масел (с пологой вязкостно-температурной характеристикой) возрастает в меньшей степени, чем более вязких масел (с более крутой вязкостно-температурной характеристикой).
При давлении (1,5-2,0)10 3 МПа минеральное масло затвердевает. Вводимые присадки в базовое масло способствуют сохранению несущей способности масляного слоя при увеличении нагрузки.
Вязкость является основным параметром при подборе масла, поэтому она всегда указана в маркировке масла. Для маркировки вязкость определяют при тех температурах, при которых работают узлы трения. Моторные масла для двигателей внутреннего сгорания маркируют по кинематической вязкости мм 2 /с (Сст) при температуре 100 °С, которая принята в качестве средней температуры масла в двигателе (картер, система смазки).
Для получения масел с хорошими вязкостно-температурными свойствами в качестве базовых используют маловязкие масла, имеющие вязкость менее 5 мм 2 /с при температуре +100 °С, и добавляют в них вязкостные присадки (загустители). В качестве присадок применяют такие полимерные соединения, как полиизобутилен, полиметакрилаты, полиалкилстиролы и др.
С понижением температуры объем макромолекул полимера уменьшается (молекулы «свертываются» в клубки). При повышении температуры клубки макромолекул «разворачиваются» в длинные разветвленные цепи, присоединяя молекулы базового масла, объем их становится больше, и вязкость масла возрастает.
Загущенные присадками масла обладают необходимым уровнем вязкости при положительных температурах 50-100 °С, пологой кривой изменения вязкости (рис. 4) и, следовательно, высоким индексом вязкости, равным 115-140. Такие масла получили название всесезонных, так как имеют одновременно свойства одного из зимних классов и одного из летних.
Рис. 4. Влияние вязкостной присадки на вязкость масла
при различных температурах:
1 – маловязкое масло; 2 – то же масло с вязкостной
В системах смазки современных автомобильных двигателей применяются именно загущенные всесезонные масла. При их использовании мощность двигателя повышается на 3-7 % (что обеспечивается высоким индексом вязкости и способностью загущенных масел снижать вязкость в парах трения при высоких скоростях сдвига), облегчается пуск и сокращается время прогрева, снижаются механические потери на трение, и, как следствие, расход топлива, увеличиваются долговечность деталей и срок службы масел. Экономия топлива достигает 5 % при больших пробегах и 15 % при коротких пробегах в зимнее время с частыми пусками двигателя (рис. 5).
Рис. 5. Снижение расхода бензина при движении автомобиля
по мере прогрева двигателя
К недостаткам загущенных масел относят низкую стабильность загущенных присадок при высоких температурах, что вызывает ухудшение вязкостно-температурных характеристик масел при длительной бессменной работе их в двигателях.
Индекс вязкости (ИВ), оценивающий вязкостно-температурные свойства масел, является условным показателем, характеризующим степень изменения вязкости масла в зависимости от температуры и определяемый путем сравнения вязкости данного масла с двумя эталонными маслами, вязкостно-температурные свойства одного из которых приняты за 100, а второго — за 0 единиц.
Индекс вязкости определяют по номограмме (рис. 6), расчетным путем или по специальным таблицам. Для определения ИВ по номограмме необходимо знать значения кинематической вязкости масла при температурах +50 °С и +100 0 С.
Рис. 6. Номограмма для определения индекса вязкости моторных масел
Чем выше ИВ, тем более пологой кривой (рис. 7) характеризуется масло и тем лучше его вязкостно-температурные свойства. Из двух масел с одинаковой вязкостью при температуре +100 °С, но с разными ИВ, одно (1) можно применять только в теплое время, так как при низких температурах оно теряет подвижность, а другое (2) — всесезонно, так как оно обеспечит легкий пуск двигателя при низких температурах воздуха и жидкостное трение при рабочих температурах.
Рис. 7. Зависимость вязкости моторных масел от температуры
для различных значений индекса вязкости: 1 – ИВ 90; 2 – ИВ 140
Учитывая то обстоятельство, что вязкость масла и индекс вязкости определяют работоспособность узла трения, то в стандартах на масла эти параметры нормируются в количественном выражении. Для автомобильных масел ИВ должен быть не менее 90.
Поэтому при производстве моторных масел необходимо любыми доступными и эффективными методами уменьшить зависимость вязкости масла от температуры, т. е. увеличить их ИВ и понизить температуру застывания. Это относится в первую очередь к зимним и всесезонным маркам масел.
Температурные характеристики моторных масел следующие:
Температура вспышки – самая низкая температура, при которой пары нагреваемого в стандартных условиях масла образуют с воздухом смесь, которая вспыхивает от открытого огня, но быстро гаснет из-за недостаточно интенсивного испарения.
Температура воспламенения – та температура, при которой пары нагреваемого в стандартных условиях масла образуют с воздухом такую смесь, которая воспламеняется и горит от открытого огня не менее 5 с. Температура вспышки является показателем пожароопасного масла. По ней можно судить о присутствии в масле летучих фракций, которые могут быстро испаряться в работающем двигателе и увеличивать расход масла на угар. Понижение температуры вспышки масла свидетельствует о разбавлении масла топливом.
Температура застывания (температура начала текучести) – самая низкая температура, при которой масло еще обладает некоторой текучестью. Определяемая в стандартных условиях температура застывания на 3 °С выше действующей температуры затвердевания, при которой в течение 5 с масло находится в неподвижном состоянии.
Температура помутнения – та, при которой появляются мелкие кристаллы парафина и масло мутнеет. В последующем кристаллы образуют каркас и масло теряет подвижность. Между кристаллами масло остается еще жидким и при сильном встряхивании текучесть масла может восстановиться. Температура помутнения зависит от скорости охлаждения, термической обработки масла и от механических воздействий.
Температура застывания служит предельной минимальной температурой разливки и, частично, эксплуатации масла. Минимальная температура эксплуатации моторных масел определяется по низкотемпературным характеристикам вязкости и перекачки.
Застывание — свойство, определяющее потерю текучести масла. При понижении температуры до определенной величины текучесть масла снижается, а при дальнейшем понижении оно застывает. С увеличением вязкости масла из него выделяются наиболее высокоплавкие углеводороды (парафин, церезин), а при полной потере текучести масла микрокристаллы твердых углеводородов (парафина) образуют пространственную кристаллическую решетку, связывающую все масло в единую неподвижную массу.
Температуру, при которой масло теряет текучесть, называют температурой застывания. Нижний температурный предел применения масла примерно на 8-12 °С выше температуры застывания, т.е.:
где: t ов — нижний температурный предел окружающего воздуха (применения данной марки моторного масла), 0 С;
t3 — температура застывания определенной марки масла, регламентируемая стандартом, 0 С.
Снижения температуры застывания масел добиваются путем депарафинизации (частичного удаления парафинов) или добавлением присадок-депрессоров в процессе их производства. Депрессоры предотвращают образование кристаллической решетки, когда кристаллы парафина объединяются в объемные структуры. Понижая температуру застывания масла, депрессоры не влияют на его вязкостные свойства.
Противоизносные (смазывающие) свойства характеризуют способность масла препятствовать износу поверхностей трения. Образующаяся на трущихся поверхностях прочная пленка исключает непосредственный контакт деталей. Высокие противоизносные свойства масла особенно востребованы при небольших частотах вращения коленчатого вала, когда высоки удельные нагрузки, а также когда геометрические формы или размеры деталей имеют существенные отклонения, что чревато задирами, схватыванием и разрушением трущихся поверхностей.
Противоизносные свойства масла зависят от его вязкости, вязкостно-температурной характеристики, смазывающей способности, чистоты масла.
С повышением температуры масла адсорбционный слой ослабляется, а при достижении критической температуры 150-200 °С, на грани прочности пленки и сухого трения, разрушается. Масла с высокими противоизносными свойствами способны формировать для предупреждения изнашивания такой режим трения, который исключает непосредственный контакт трущихся поверхностей металлов. Поэтому возможное в данном случае изнашивание вызывается цикличностью нагрузок на отдельных участках поверхностей трения и усталостными разрушениями металла (усталостные трещины в галтелях коленчатых валов).
О смазывающей способности («маслянистости») масла судят по его химическому составу, вязкости, наличию присадок. На маслянистость влияют содержащиеся в маслах и обладающие высокими поверхностно-активными свойствами смолистые вещества, высокомолекулярные кислоты, сернистые соединения.
Правильный выбор вязкости масла в значительной мере влияет на скорость изнашивания. Высоковязкие масла при низкой температуре загустевают и плохо поступают к трущимся поверхностям деталей. В то же время пуск и прогрев двигателя на менее вязких (жидких) маслах облегчается, режим жидкостного трения наступает быстрее.
Для снижения потерь на трение в моторные масла вводят антифрикционные присадки, основой которых служат беззольные органические соединения, содержащие благородные элементы (никель, кобальт, хром, молибден). Малорастворимые поверхностно-активные вещества такого типа образуют в узлах трения многослойные защитные пленки с внедрением легирующих металлов в зону трения. Особое место при этом принадлежит молибдену, атомы которого способны связывать атомы железа и образовывать структуры, стойкие к питтингу (местному выкрашиванию металла), фреттинг-коррозии и др. Более того, только этот металл образует в результате окисления поверхностных слоев оксиды, температура плавления и твердость которых на порядок ниже, чем у металла поверхности трения.
Смазочные свойства моторного масла, как и масел для других машин и механизмов, обусловлены его вязкостью и маслянистостью, влияние и механизм действия которых различны.
Вязкость как свойство, связанное с внутренним (молекулярным) трением, проявляет себя при жидкостном (гидродинамическом) трении. Маслянистость же масла важна при возникновении граничного трения. В этих условиях прочность масляной пленки является решающим фактором, препятствующим непосредственному контакту трущихся деталей.
Установлено, что прочность масляной пленки зависит от полярной активности молекул масла, т. е. от их способности образовывать прочные слои строго ориентированных молекул.
Ориентировочное поле полярно-активных молекул образует на поверхности трущихся деталей своеобразный ворс. Чем длиннее полярно-активные молекулы масла и чем прочнее они соединяются с поверхностью трущихся деталей, тем выше маслянистость масла. Но это очень упрощенное объяснение, позволяющее понять лишь основную сущность этого явления.
В действительности в реальных условиях возникают обычно не мономолекулярные, а мультимолекулярные ориентированные слои, в которых внутримолекулярное трение приобретает особый характер, заключающийся в том, что происходит трение между отдельными слоями молекул, а не между отдельными молекулами. При соответствующем подборе полярно-активных веществ, входящих в масло, число слоев может доходить до тысячи и более, а их суммарная толщина до 1,5—2 мкм. С повышением температуры верхние слои, не имеющие прочной связи с поверхностью детали, дестабилизируются и разрушаются, но первый мономолекулярный слой разрушить трудно.
Экспериментально установлено, что коэффициент трения между деталями мало зависит от числа мономолекулярных слоев и практически одинаков как при одном, так и при нескольких десятках таких слоев. Этим можно объяснить тот факт, что достаточно добавить в масло очень немного веществ, обладающих высокой полярной активностью, как маслянистость масла, т. е. прочность его масляной пленки резко возрастает.
Процессы, связанные с маслянистостью, изучают на специальных машинах трения. Количественное определение смазывающих свойств масел ведут с помощью четырехшариковой машины (ГОСТ 9490—75*). Принцип действия этой машины заключается в следующем.
Три шарика диаметром 12,7 мм из стали ШХ-15 (подшипниковой серии) устанавливают неподвижно в виде треугольника в специальной чашеобразной обойме, в которую затем наливают испытуемое масло. На эти шарики накладывают сверху такой же шарик (четвертый), закрепленный во вращающемся, как у сверлильного станка, шпинделе.
Частота вращения шпинделя 1460±70 мин -1 . Проворачивание нижних шариков при испытании не допускается.
На четырехшариковой машине проводят серию определений, каждое из которых выполняют на новой пробе испытуемого масла и новых шариках. На машине определяют критическую нагрузку, нагрузку сваривания, индекс задира и показатель износа. При определении первых трех параметров продолжительность испытаний составляет 10
0,2 с, при оценке показателя износа — 60
0,5 мин. Режимосевой нагрузки должен быть выдержан в соответствии со стандартом.
Индекс задира и критическая нагрузка характеризуют способность масла защищать трущиеся поверхности от повреждений и задиров, а нагрузка сваривания оценивает предельную нагрузку, которую может выдержать данное масло. Показатель износа определяет влияние смазочного материала на изнашивание смазываемых поверхностей.
Его оценивают по диаметру пятен (следов) на всех трех нижних шариках. Измерения осуществляют посредством микроскопа с 24-кратным увеличением и отсчетной шкалой с ценой деления не более 0,01 мм. Каждое пятно измеряют в двух направлениях: в направлении скольжения и перпендикулярном ему.
Результатом считается среднее арифметическое всех измерений по трем нижним шарикам.
Принцип действия четырехшариковой машины показан на рис. 8.
Рис. 8. Принцип действия четырехшариковой машины
для определения противоизносных и противозадирных свойств масел:
а — схема нагружения шариковой пирамиды; б — схема
четырехшариковой обоймы; в — конструкция основного узла;
1 — неподвижные шарики; 2 — вращающийся шарик;
3 — исследуемое масло
Противоокислительные свойства характеризуются стойкостью масла к окислению и полимеризации в процессе работы двигателя, а также разложению при хранении и транспортировании.
Продолжительность работы масла в двигателе зависит от его химической стабильности, под которой понимается способность масла сохранять свои первоначальные свойства и противостоять внешнему воздействию при нормальных температурах.
На стабильность моторных масел оказывают влияние следующие факторы: химический состав, температурные условия, длительность окисления, каталитическое действие металлов и продуктов окисления, площадь поверхности окисления, присутствие воды и механических примесей. Повышенное давление воздуха ускоряет процесс окисления масла, так как усиливается процесс его взаимной диффузии с воздухом.
На процесс окисления решающее влияние оказывает температура. Масла, хранящиеся при температуре 18-20 °С, сохраняют свои первоначальные свойства в течение 5 лет. Начиная с 50-60 °С, скорость окисления удваивается с увеличением температуры на каждые 10 °С. Поэтому высокая тепловая напряженность деталей форсированных двигателей, с которыми приходится контактировать моторному маслу, и взаимодействие с прорывающимися в картер газами из камер сгорания (на такте сжатия их температура составляет около 150-450 °С для бензиновых двигателей и около 500-700 °С для дизелей) резко ухудшают условия их работы. Повышение тепловой напряженности моторных масел связано также с отдельными конструктивными решениями: использование наддува; применение герметизированной системы охлаждения (увеличивает температуру поршня на 10-20 0 С); уменьшение объема системы смазки двигателя; масляное охлаждение поршней и др.
Термоокислительную стабильность определяют как устойчивость масла к окислению в тонком слое при повышенной температуре методом оценки прочности масляной пленки.
Для замедления реакций окисления и уменьшения образования отложений в двигателе в масла вводят противоокислительные присадки.
Детергентно — диспергирующим (моющим) свойством масла называют его способность препятствовать слипанию углеродистых частиц и удерживать их в состоянии устойчивой суспензии, что значительно снижает процессы образования лаковых отложений и нагара на горячих поверхностях деталей двигателя.
При использовании масел с хорошими диспергирующими свойствами детали двигателей выглядят чистыми, как бы вымытыми, отсюда и появление термина «моющие».
Диспергирующие свойства масел оценивают в баллах от 0 до 6 по методу ПЗВ. Образование лаковых отложений на деталях двигателя, работающего на маслах с моющими присадками, уменьшается в 3-6 раз, т.е. с 3-4,5 до 0,5-1,5 балла.
Моющие присадки бывают зольными и беззольными. Зольные присадки содержат бариевые и кальциевые соли сульфикислот (сульфонаты), а также алкилфеноляты щелочноземельных металлов бария и кальция. Масла с зольными присадками в количестве 2-10 %, сгорая, образуют золу, прилипающую к поверхности деталей. Беззольные моющие присадки не образуют золы при сгорании масел, так как не содержат металлов.
Коррозионные свойства масел зависят от наличия в них органических кислот, перекисей и других продуктов окисления, сернистых соединений, неорганических кислот, щелочей и воды.
Коррозионность свежего масла, в котором присутствуют природные органические кислоты и сернистые соединения, незначительна, но резко возрастает в процессе эксплуатации. Присутствие в свежих маслах органических (нафтеновых) кислот связано с их неполным удалением в процессе очистки.
Коррозионное действие масел связано также с содержанием в них 15-20 % сернистых соединений в виде сульфидов и. компонентов остаточной серы, которые при высоких температурах приводят к выделению сероводорода, меркаптанов и других активных продуктов. В условиях высоких температур сернистые соединения особенно агрессивны по отношению к серебру, меди, свинцу. В процессе использования масла содержание кислот в нем возрастает в 3-5 раз, что зависит от его химической стабильности, содержания антиокислителей и условий работы.
Оценку коррозионной стойкости производят по кислотному числу, которое для свежих масел не превышает 0,4 мг КОН на 1 г масла. В коррозионном отношении эта концентрация практически не опасна.
Коррозионные процессы в двигателях замедляют нейтрализацией кислых продуктов путем введения антикоррозионных присадок; замедлением процессов окисления путем добавления в масла антиокислительных присадок; созданием на поверхности металла (при изготовлении деталей) стойкой защитной пассивированной пленки из органических соединений, содержащих серу и фосфор.
Известны присадки и ингибиторы коррозии и их композиции, которые снижают все виды износа.
Подбор масла с оптимальными значениями эксплуатационных свойств зависит от конструкции и режима работы узла трения.
Вязкость — одно из важнейших свойств масла, имеющее многостороннее эксплуатационное значение. От вязкости в значительной степени зависит режим смазки пар трения, отвод тепла от рабочих поверхностей и уплотнение зазоров, энергетические потери в двигателе, его эксплуатационные свойства. Быстрота пуска двигателя, прокачивание масла по системе смазки, охлаждение трущихся поверхностей деталей и их очистка от загрязнений также зависят от вязкостно-температурных свойств масла.
Масла повышенной вязкости используются для высоконагруженных, низкооборотных или работающих в условиях напряженного теплового режима двигателей. При этом, чем выше вязкость масла в работающем двигателе, тем надежнее уплотнения, меньше вероятность прорыва газов, ниже угар масла. Поэтому масла с большой вязкостью применяют в случаях, когда двигатель изношен, зазоры увеличены или условия эксплуатации характеризуются высокой запыленностью, повышенной температурой, изменяющимися в больших пределах нагрузками.
Масла с меньшей вязкостью применяют для легконагруженных высокооборотных двигателей. Они облегчают пуск двигателя, лучше прокачиваются по системе смазки и очищаются от механических примесей, обеспечивают хороший отвод тепла от рабочих поверхностей деталей.
Температура масла значительно влияет на его кинематическую вязкость. С понижением температуры вязкость увеличивается, а с повышением — уменьшается. Чем меньше перепад вязкости в зависимости от температуры, тем в большей степени масло удовлетворяет эксплуатационным требованиям.
Увеличение вязкости масел с понижением температуры приводит к значительным трудностям при использовании автомобилей, особенно в зимнее время года при пуске двигателей. При отрицательных температурах в диапазоне от -10 °С до -30 °С резко увеличивается момент сопротивления проворачиванию коленчатого вала двигателя, медленнее достигается минимальная пусковая частота вращения, ухудшается подача масла к трущимся поверхностям деталей.
Надежный пуск бензиновых двигателей осуществляется при значениях частоты вращения коленчатого вала в пределах 35 — 50 мин -1 при температуре окружающего воздуха -10 0 С . -20 0 С, а дизелей с различным способом смесеобразования — в среднем в интервале 100 — 200 мин -1 при температуре 0 0 С. Вязкость моторного масла, при которой пусковая система современных двигателей различной конструкции не обеспечивает вращения коленчатого вала, изменяется в пределах (4 — 10) ·10 3 мм 2 /с. Поэтому для обеспечения пуска двигателя в холодное время моторные масла должны обладать низкой вязкостью при отрицательных температурах.
Как рассчитывается температурный коэффициент вязкости масла
Рис. 1. Зависимость износа бензинового двигателя в момент пуска от вязкости масла.
С увеличением зазора в подшипнике и нагрузки на вал вязкость масла должна быть выше, чтобы создавалось жидкостное трение.
При любом виде трения выделяется теплота. Для предупреждения перегрева трущихся деталей, преждевременного износа подшипника его необходимо охлаждать. За последние двадцать пять лет эксплуатации двигателей давление в шатунных подшипниках коленчатого вала увеличилось практически в 2 раза, в паре поршневое кольцо — цилиндр — в 2—3 раза, а величина удельных давлений в паре кулачок — толкатель бензиновых двигателей достигает в некоторых моделях 2500 МПа при средних -значениях 500—700 МПа. Температура вкладышей шатунных подшипников за эго же время увеличилась в среднем на 30 °C, достигая 150—160 °C, а иногда и выше.
При использовании наддува тепловая напряженность двигателя резко повышается, ужесточаются условия работы масла в нем. Особенно резко повышается температура в зоне верхней поршневой канавки при повышенном прорыве отработавших газов в картер, т. е. температура зависит от давления газов в цилиндрах, уплотняющего действия поршневых колец и режима работы двигателя. Масло отводит от 1,5—4,5% теплоты, в наддувных модификациях двигателей — до 10%. Эта величина зависит от конструкции двигателя, степени форсированности, наличия принудительного охлаждения поршней маслом, режима работы, масляной системе зависит от количества прокачиваемого масла, его температуры и т. д. На интенсивность теплопередачи и температуру цилиндропоршневой группы решающее влияние оказывает масляная пленка между поверхностями цилиндра, поршневых колец и поршня. Теплопроводность масляной пленки примерно в четыре раза больше, чем теплопроводность воздуха. Поэтому при увеличении зазора между цилиндром и поршнем температура этих деталей и колец может возрастать из-за ухудшения теплопередачи.
Таблица 1.
Температура различных участков поршней двигателей (температура масла в картере 120 °C)
Рис. 2. Зависимость прокачиваемости масла в двигателе от его вязкости.
Чем больше масла протекает через подшипник, чем лучше циркуляция масла, тем лучше температурное состояние подшипника. Прокачиваемость масла по его вязкости: чем меньше вязкость, тем лучше его циркуляция, чем ниже вязкость масла, тем выше чистота трущихся деталей вследствие улучшения циркуляции. Следовательно, на практике лучше всего применять масло пониженной вязкости.
Значительное уменьшение вязкости масла влияет на расход масла, проникающего через поршневые кольца в камеру сгорания, т. е. увеличивается его расход на угар. Масло, выгорающее в камере сгорания, образует зольные отложения — нагары. Это ведет к ухудшению теплоотвода от деталей двигателя, в результате чего может возникнуть оплавление и растрескивание поршней, прогар выпускных клапанов. Нагары являются причиной возникновения кадильного зажигания, детонации. При эксплуатации автомобилей расходы на смазочные масла составляют около 2% общих эксплуатационных расходов. Снижение расхода масла на угар до 0,3—0,5% только в сельском хозяйстве позволит сэкономить около 20 млн. руб. (в пересчете на парк тракторов и комбайнов).
При работе двигателя на форсированном высокотемпературном режиме наблюдается повышение вязкости масла в результате испарения низкокипящих фракций масла, разложения присадок, накопления .продуктов окисления масла. Например, при 200-часовой работе дизеля с воздушным охлаждением на масле М-10Г5 с температурой масла в картере около 80 °C вязкость его увеличилась на 35%, а при температуре масла 115—120 °C — более чем в 2 раза. Работа двигателя на маслах повышенной вязкости ведет к увеличению механических потерь в двигателе, перерасходу топлива и масла, повышению токсичности отработавших газов. Однако при увеличении вязкости масла улучшается уплотнение поршневых колец. Для двигателей, работающих с большой удельной нагрузкой, используются масла более высокой вязкости или с большим содержанием в товарном масле доли остаточного масла.
Вязкость масла влияет на расход топлива. Как показывает практика, применение масел с меньшей вязкостью ведёт к экономии топлив, иногда значительному (до 15—20%). При использовании масел пониженной вязкости автомобиль развивает более высокие скорости движения. Использование зимой летних сортов масел, наоборот, ведет к дополнительному расходу топлива на 8—10%.
Вязкость не является постоянной величиной, она изменяется в зависимости от температуры. Поэтому при ее определении необходимо указывать температуру, при которой она была определена. Качественными считаются масла, у которых небольшая вязкость при отрицательных температурах, хорошая текучесть, минимальные пусковые изно-сы, а при рабочих температурах — высокая вязкость и хорошие смазочные свойства. Следовательно, масла должны мало изменять свою вязкость в зависимости от температуры. Влияйие температуры на вязкость масла находится в зависимости от его химического состава. Мрело, содержащее значительное количество асфальтосмолистых, пелицикли-ческих соединений, в зависимости от температуры резке изменяет свою вязкость, а масло из парафинистой нефти изменяет свою вязкость незначительно.
Для характеристики вязкостно-температурных свойсте масел имеется ряд показателей. Одним из них может быть соотношение вязкостей при 50 и 100 °C. Чем меньше это соотношение, тем качественнее масло.
Кроме соотношения вязкостей для характеристики вязкостно-температурных свойств масел можно, использовать температурный коэффициент вязкости, характеризующий изменение вязкости масла в более широком диапазоне температур: 0—100 С и 20—100 С. Чем меньше величина температурного коэффициента вязкости, тем выше эксплуатационные свойства масла.
Согласно ГОСТ у для характеристики вязкостно-температурных свойств масел предусматривается определение вязкости при различных температурах, в частности при температурах 100, 0 и —18 °C. Величина вязкости масла при различных температурах должна обеспечивать надежную работу двигателя.
Рис. 3. График определения индекса вязкости по Дииу и Дэвису.
На практике часто пользуются номограммами и таблицами. Например, номограмма Доксея, составленная на основании уравнения Дина и Дэвиса, проста в употреблении. Для определения индекса вязкости по номограмме Доксея необходимо знать вязкость масла при 50 и 100 °C.
Индекс вязкости — безразмерная условная величина, характеризующая степень изменения вязкости масла в зависимости от температуры, наклон вязкостно-температурной кривой. Чем положе вязкостно-температурная кривая, т. е. чем меньше изменяется вязкость с изменением температуры, тем выше индекс вязкости. Качественное масло должно иметь индекс вязкости 100 и. более. Расчет индекса вязкости масел проводят по ГОСТ 25371—82.
Рис. 4. Номограмма для определения индекса вязкости масел.
Моторные масла, получаемые из нефти, обладают относительно невысоким значением индекса вязкости, величина которого составляет не более 85—90. Для улучшения вязкостно-температурных свойств, т. е. для повышения индекса вязкости, готовят так называемые загущенные масла с индексом вязкости более 125. Высоксиндексные масла получают из маловязких масел типа веретенного, трансформаторного, имеющих хорошие вязкостно-температурные свойства (т. е. эти масла мало изменяют свою вязкость при изменении температуры) благодаря добавлению вязкостных присадок. Количество присадки рассчитывают, исходя из необходимого уровня вязкости готового масла. При добавлении присадки повышается вязкость масла, а характер вязкостно-температурной кривой остается прежним. При сравнении загущенного (кривая 1) и незагущенного (кривая 3) масел, имеющих одинаковую вязкость при 100 °C, видно, что значения вязкостей этих масел при других температурах не совпадают. Незагущенное масло изменяет свою вязкость в зависимости от температуры более резко по сравнению с загущенным маслом. В качестве вязкостных присадок используются различные полимерные соединения: полиизобутилен, полиметакрилат, вуниполы, сантодексы, вольтоли и др. Для приготовления автотракторных моторных масел наиболее широкс используются полиизобутилены и полиметакрилаты. Однако использование масел с присадками этого типа в дизельных высокофорсированных двигателях может привести к повышению количества углеродистых отложений на поршнях. Поэтому в будущем необходимо применять, более стабильные присадки, чем используемые в настоящее время.
Загущенные масла готовят для всесезонного использования и для районов Севера. Работа на загущенных маслах обеспечивает надежную работу двигателя в широком диапазоне температур. Оптимальная текучесть масла при низких температурах, легкий пуск двигателя, “быстрая циркуляция масла в холодном двигателе достигается за счет маловязкого масла. Необходимый уровень вязкости прг высоких температурах работающего двигателя обеспечивается при использовании масла с вязкостной присадкой. Применение загущенных масел экономически целесообразно: облегчается пуск двигателя при низких температурах окружающего воздуха, уменьшается износ двигателя, снижается расход масла и топлива, меньше становятся расходь: на техническое обслуживание и т. д. Например, зимние масла марки М-8ВП М-81\ обеспечивают пуск двигателя без применения средств подогрева только до температур —10 °C. Всесезонные масла марки М-63/10Г, обеспечивают пуск двигателя до температуры —22…—25 °C. Экономия топлива при работе на загущенном масле в зимнее время составляет 5—15%. .
Вязкость масла изменяется также при давлении выше 5 МПа. Повышение вязкости с увеличением давления имеет немаловажное значение, например, в подшипниках коленчатого вала давление составляет 15—25 МПа, во втулках поршневых головок шатунов — 50—90 МПа и т. д. С повышением температуры влияние давления на вязкость масла уменьшается. Общая закономерность влияния давления такова: с повышением давления вязкость масла увеличивается .
Рис. 5. Вязкостно-температурные характеристики загущенных и не-загущенных масел:
1 — загущенное масло; 2 — маловязкое масло, к которому добавлена вязкостная присадка; 3 — незагущенное масло.
Рис. 6. Влияние давления на затвердение масла при различных температурах:
1 — нефтяное масло; 2 — жировое масло.
Чем менее сложный состав имеет масло, т. е. менее сложная структура углеводородов, входящих в масло, тем меньше влияние давления на изменение вязкости.
Увеличение вязкости с повышением давления можно объяснить как следствие сближения молекул жидкого масла и их взаимодействия. При очень высоких давлениях вязкость может настолько^ увеличиться, что масло затвердевает. Зависимость давления на изменение вязкости затрудняет учет этого фактора для расчетов узлов трения.
Для предотвращения износа, задира, сваривания металлических поверхностей при трении, кроме соответствующей вязкости, масла должны обладать хорошей маслянистостью, т. е. способностью образовывать прочную масляную пленку. Маслянистость масла имеет большое значение, поскольку при работе двигателя много узлов трения работают в условиях граничной смазки. Прочность масляной пленки зависит от химического состава масла, от наличия ПАВ и химически активных соединений в масле. Чем больше в масле сложных полициклических соединений, смол, а также соединений, содержащих гидроксильные, карбоксильные и другие группы, тем выше маслянистость масла. Высоковязкое масло обладает более высокой маслянистостью по сравнению с маловязким маслом, полученным из одного сырья, так как с повышением вязкости в масле увеличивается содержание полярно-активных молекул. Поэтому остаточные масла обладают более высокой маслянистостью по сравнению с дистиллятными.
Масла в механизмах работают в условиях высоких давлений и температур. Масляная пленка при определенных условиях их не выдерживает. Для увеличения прочности масляной пленки к маслам добавляют противозадирные и противоизносные присадки.
Оценка маслянистости смазочных масел производится на различных стандартных машинах трения. Маслянистость работавших масел всегда выше маслянистости свежих масел из-за образующихся продуктов окисления. В данном случае речь идет о маслянистости свежего и работавшего масла без учета возможного разбавления моторного масла несгоревшим топливом. Маслянистость характеризует противоизносные свойства масел. Она оценивается двумя методами: лабораторными испытаниями на 4-шариковой машине по ГОСТ 9490—75 и моторными испытаниями.
ХИМИЯ НЕФТИ
Зависимость вязкости нефтепродуктов от температуры является очень важной характеристикой как в технологии переработки нефти (перекачка, теплообмен, отстой и т. д.), так и при применении товарных нефтепродуктов (слив, перекачка, фильтрование, смазка трущихся поверхностей и т. д.).
С понижением температуры вязкость их возрастает. На рисунке приведены кривые изменения вязкости в зависимости от температуры для различных смазочных масел.
Общим для всех образцов масел является наличие областей температур, в которых наступает резкое повышение вязкости.
Существует много различных формул для расчета вязкости в зависимости от температуры, но наиболее употребляемой является эмпирическая формула Вальтера:
Дважды логарифмируя это выражение, получаем:
По данному уравнению Е.Г. Семенидо была составлена номограмма на оси абсцисс которой для удобства пользования отложена температура, а на оси ординат — вязкость.
По номограмме можно найти вязкость нефтепродукта при любой заданной температуре, если известна его вязкость при двух других температурах. В этом случае значение известных вязкостей соединяют прямой и продолжают ее до пересечения с линией температуры. Точка пересечения с ней отвечает искомой вязкости. Номограмма пригодна для определения вязкости всех видов жидких нефтепродуктов.
Для нефтяных смазочных масел очень важно при эксплуатации, чтобы вязкость как можно меньше зависела от температуры, поскольку это обеспечивает хорошие смазывающие свойства масла в широком интервале температур, т. е. в соответствии с формулой Вальтера это означает, что для смазочных масел, чем ниже коэффициент В, тем выше качество масла. Это свойство масел называется индексом вязкости, который является функцией химического состава масла. Для различных углеводородов по-разному меняется вязкость от температуры. Наиболее крутая зависимость (большая величина В) для ароматических углеводородов, а наименьшая — для алканов. Нафтеновые углеводороды в этом отношении близки к алканам.
Существуют различные методы определения индекса вязкости (ИВ).
Для всех масел с ν100 2 /с вязкости (ν, ν1 и ν3) определяют по таблице ГОСТ 25371-97 на основе ν40 и ν100 данного масла. Если масло более вязкое (ν100 > 70 мм 2 /с), то величины, входящие в формулу, определяют по специальным формулам, приведенным в стандарте.
Значительно проще определять индекс вязкости по номограммам.
Индекс вязкости — общепринятая величина, входящая в стандарты на масла во всех странах мира. Недостатком показателя индекса вязкости является то, что он характеризует поведение масла лишь в интервале температур от 37,8 до 98,8°С.
Многими исследователями было подмечено, что плотность и вязкость смазочных масел до некоторой степени отражают их углеводородный состав. Был предложен соответствующий показатель, связывающий плотность и вязкость масел и названный вязкостно-массовой константой (ВМК). Вязкостно-массовая константа может быть вычислена по формуле Ю. А. Пинкевича:
В области низких температур смазочные масла приобретают структуру, которая характеризуется пределом текучести, пластичности, тиксотропностью или аномалией вязкости, свойственными дисперсным системам. Результаты определения вязкости таких масел зависят от их предварительного механического перемешивания, а также от скорости истечения или от обоих факторов одновременно. Структурированные масла, так же как и другие структурированные нефтяные системы, не подчиняются закону течения ньютоновских жидкостей, согласно которому изменение вязкости должно зависеть только от температуры.
Масло с неразрушенной структурой имеет значительно большую вязкость, чем после ее разрушения. Если понизить вязкость такого масла путем разрушения структуры, то в спокойном состоянии эта структура восстановится и вязкость примет первоначальное значение. Способность системы самопроизвольно восстанавливать свою структуру называется . С увеличением скорости течения, точнее градиента скорости (участок кривой 1), структура разрушается, в связи с чем вязкость вещества снижается и доходит до определенного минимума. Этот минимум вязкости сохраняется на одном уровне и при последующем возрастании градиента скорости (участок 2) до появления турбулентного потока, после чего вязкость вновь нарастает (участок 3).