2.2.1. Условия работы и причины старения

Старение масла происходит вследствие загрязнения его пылью, продуктами износа, сгорания топлива и физико-химических изменений углеводородов.

Старение масла может вызвать:

— закоксовывание поршневых колец;

— заклинивание клапанов в направляющих втулках;

— прогарание клапанов;

— сокращение проходных сечений маслоприемников насосов, фильтров, каналов смазочной системы;

— повышение коррозии деталей;

— абразивный износ.

Старение масла обусловлено его работой, которая происходит в условиях высоких термических и динамических нагрузок и сопровождается такими факторами, которые вызывают глубокие физико-химические изменения свойств материала и ухудшение их эксплуатационных показателей. К этим факторам относятся: использование наддува; форсирование скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя; уменьшение удельной емкости смазочной системы, приводящее к увеличению интенсивности работы масла и повышению температуры основных деталей.

В зависимости от температуры, при которой происходит окисление масла, могут образовываться шламы, лаки и нагар.

Шламы — это густые мазеобразные липкие темного цвета продукты, образующиеся при невысоких температурах (как правило, не более 120 °С), выпадающие из масла в виде осадка и создающие отложения в картерах, масляных магистралях, фильтрах и пр.

Шламы состоят на половину или на две трети из масла, а остальное — вода (5—35 %), топливо, продукты окисления, пыль, продукты износа.

Удаляются шламы из двигателя путем промывки его маловязким маслом или специальными промывочными жидкостями.

Лаки представляют собой прочные тонкие пленки толщиной 50—200 мкм с гладкой поверхностью, образующиеся на горячих деталях двигателя при температуре порядка 250 °С, где наряду с испарением часть масла окисляется и разлагается, превращаясь в твердый осадок. Воздействию лакообразования подвергаются поршни, поршневые кольца, верхние головки шатунов, стержни клапанов. В результате возникают пригорание поршневых колец, перегрев и повышенный износ деталей. Лаковые отложения состоят из углерода (до 85 %), водорода, кислорода и имеют цвет от светло-желтого до черного.

В качестве растворителя лаков применяют бензол, хлороформ, ацетон и щелочные растворы.

Нагар — это твердая углеродистая масса с шероховатой поверхностью, чаще черного цвета, образующаяся в камере сгорания, где температура более 2000 °С.

При работе на этилированном бензине нагар на 50 % состоит из соединений свинца. Основными элементами, образующими нагар при работе на неэтилированном бензине, являются углерод (до 75 %), кислород (до 20 %) и водород (до 5 %).

В составе отработавшего масла всегда больше кислот, его коррозионность выше, а моющие свойства по сравнению со свежим маслом того же сорта хуже. Качество работающего масла ухудшается из-за попадания в него воды. Особенно интенсивно идет образование воды при низких температурах, когда водяные пары соприкасаются с холодными стенками картера.

Моторные масла должны отвечать следующим эксплуатационным требованиям:

— обеспечивать уплотнение зазоров в сопряжениях работающего двигателя и, в первую очередь, в деталях цилиндропоршневой группы;

— обеспечивать эффективный отвод тепла от трущихся деталей, удаление из зон трения продуктов износа;

— надежно защищать рабочие поверхности деталей двигателя от коррозионного воздействия продуктов окисления масла и сгорания топлива;

— предотвращать образование всех видов отложений (нагары, лаки, зольные отложения, шламы) на деталях двигателя;

— иметь высокую стойкость против окисления, механического воздействия и обводнения;

— иметь минимальный расход;

— иметь большой срок службы.

Кроме того, моторные масла должны обладать хорошей вязкостно-температурной характеристикой, высокой моюще-диспергирующей способностью.

2.2.2. Эксплуатационные свойства

Смазочные свойства моторных масел имеют большое значение для нормальной работы кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов двигателя. В цилиндропоршневой группе, где возникают наибольшие силы трения, высокие смазочные свойства масел во многом определяют ресурс двигателя до его капитального ремонта. Не меньшее значение имеет постоянное наличие надежной масляной пленки в зоне контакта опорных и шатунных шеек коленчатого вала с подшипниками скольжения. Смазочные свойства моторных масел определяют испытаниями на стендах или автомобилях. В лабораторных условиях они оцениваются на четырехшариковой машине (рис. 2.3) при заданных осевых нагрузках, определяя индекс задира, критическую нагрузку, нагрузку сваривания и показатель износа. В испытываемое масло помещается неподвижная обойма с тремя закрепленными шариками, расположенными в горизонтальной плоскости. Над обоймой вращается шпиндель с закрепленным в нем четвертым шариком. Шарик в патроне находится в центре между трех других шариков и, вращаясь, может прижиматься к ним с заданной нагрузкой.

Рис. 2.3. Рабочий узел четырехшариковой машины трения: 1 — неподвижные шарики (3 шт.); 2 — вращающийся шпиндель с шариком;

3 — масло

Показатель износа, критическую нагрузку и индекс задира определяют по диаметрам пятен износа каждого из трех нижних шариков и добиваются понижения износа сопрягаемых деталей, изменяя состав масла. Для этого противозадирные и противоизносные свойства масел повышают добавлением к ним соответствующих присадок, создающих на поверхности металла трущихся деталей прочные пленки, кроме того, регулируют вязкость масла.

Моющие свойства — способность масла обеспечивать необходимую чистоту деталей двигателя и противостоять лакообразованию на горячих поверхностях, а также препятствовать прилипанию углеродистых отложений.

Моющие свойства оценивают в баллах по количеству лака, образовавшегося на боковой поверхности поршня после его двухчасовой работы на установке ПЗВ, в которую заливается 250 г масла, подогретого до температуры 125 °С. Чистый поршень имеет 0 баллов, а с наибольшими отложениями лака — 6 баллов.

Диспергирующие свойства определяют способность масла препятствовать слипанию углеродистых частиц, удерживать их в состоянии устойчивой суспензии и разрушать крупные частицы продуктов окисления.

Антиокислительные свойства определяют стабильность масла.

Противокоррозионные свойства оцениваются уровнем потерь массы металла, контактирующего с маслом в определенных условиях. Коррозионность масел связана с содержанием в них сернистых соединений, органических и неорганических кислот и других продуктов окисления.

Коррозионный износ деталей определяется также исходным значением щелочности и скоростью ее изменения. Чем больше проработало масло, тем ниже становится показатель щелочности, который является одним из показателей качества масла.

Присадки применяют для придания маслам новых свойств или изменения показателей. Присадки могут быть:

— антиокислительные — повышают антиокислительную устойчивость;

— противокоррозионные — защищают металлическую поверхность от коррозионного воздействия кислото- и серосодержащих продуктов;

— моюще-диспергирующие — способствуют снижению отложения продуктов окисления на металлических поверхностях;

— противоизносные, противозадирные и антифрикционные — улучшают смазочные свойства;

— депрессорные — понижают температуру застывания;

— вязкостные — улучшают вязкостно-температурные свойства;

— антипенные — предотвращают вспенивание.

Многофункциональные присадки улучшают одновременно несколько свойств масел.

На преодоление сил трения в двигателях внутреннего сгорания уходит около трети расходуемого топлива. С помощью антифрикционных присадок и подбора оптимальной вязкости моторного масла можно добиться снижения расхода топлива максимально на 4,5 %.

В настоящее время существует широкий спектр дополнительных присадок к моторным маслам для автомобиля. Следует знать, что ни одна из присадок не может продлить срок службы моторного масла, но может способствовать хорошей обкатке нового или отремонтированного двигателя, снижению износа деталей и расхода топлива, продлению времени эксплуатации изношенного двигателя. Однако следует соблюдать осторожность и не пользоваться непроверенными средствами, особенно, если реклама обещает снижение расхода топлива на 15—20 %, расход масла — 40—50 % и износ на 40—60 % и более. С помощью смазочных веществ такого эффекта добиться невозможно.

Так как современные моторные масла являются сложными, хорошо сбалансированными растворами в минеральных маслах многих химических веществ, то введение в него какого-то нового химически активного вещества может привести к непредсказуемым последствиям и требует тщательной проверки.

В табл. 2.1 приведен перечень присадок к моторным маслам, которые Волжский автомобильный завод после соответствующих испытаний допустил к применению.

Таблица 2.1. Присадки к моторным маслам, допущенные Волжским автомобильным заводом

2.2.3. Классификация моторных масел

Согласно принятой классификации масел (ГОСТ 17479.1—85), всем моторным маслам присвоен индекс, и они разделены на классы и группы в зависимости от их вязкости (табл. 2.2) и эксплуатационных свойств.

Таблица 2.2. Классы моторных масел по кинематической вязкости

По эксплуатационным свойствам (наличие и вид присадок) масла делят на следующие группы:

А — для нефорсированных двигателей;

Б — для малофорсированных двигателей;

В — для среднефорсированных двигателей;

Г — для высокофорсированных двигателей;

Д — для дизелей, работающих в тяжелых условиях.

По типу двигателя маслам присваивается цифровой индекс:

1 — для карбюраторных, 2 — для дизелей. Масла универсальные не имеют индекса.

По вязкости масла подразделяются на три класса: летние, зимние, всесезонные. Летние масла нормируются значением кинематической вязкости при температуре 100 °С, зимние — при 100 и при —18 °С. Всесезонные масла обозначаются дробью: в числителе указывается класс вязкости зимнего, а в знаменателе — летнего масла.

Маркировка моторных масел включает в себя: букву «М» — принадлежность к моторным маслам; цифру — класс кинематической вязкости (при обозначении дробными цифрами в числителе указывается класс вязкости масла при температуре —18 °С, а в знаменателе — при 100 °С). Прописные буквы указывают на группу масла по эксплуатационным свойствам, индекс 1 — для карбюраторных двигателей, 2 — для дизелей. Используют и дополнительные индексы: рк — рабоче-консервационные масла;

З — масло, содержащее загущающую присадку; цл — для циркуляционных и лубрикаторных смазочных систем; 20 и 30 — значение щелочного числа и т. д.

Примеры обозначения масел:

М-8-B₁: М — моторное; 8 — класс вязкости; В — по эксплуатационным свойствам относится к группе В (среднефорсированные двигатели); индекс 1 — предназначено для карбюраторных двигателей.

М-10-Г_2К: М — моторное; 10 — класс вязкости; Г — по эксплуатационным свойствам относится к группе Г (высокофорсированные двигатели); индекс 2 — предназначено для дизелей; индекс К — масло предназначено для автомобилей марки «КамАЗ».

М-бз/10-В: М — моторное; 6 и 10 — классы вязкости; буква «З» означает, что масло имеет загущающую присадку, улучшающую вязкостно-температурные свойства, и предназначено для всесезонного или зимнего применения; В (без индекса) — масло универсальное и предназначено как для карбюраторных двигателей, так и для дизелей.

В табл. 2.3 и 2.4 приведены характеристики некоторых моторных масел.

Таблица 2.3. Основные характеристики масел для карбюраторных двигателей

Таблица 2.4. Основные характеристики масел для дизелей

С 1993 г. отечественные производители моторных и трансмиссионных масел наряду с классификацией по ГОСТ 17479.1—85 применяет и мировую систему классификации. В этом случае масла классифицируются по вязкости — SAE (Содружество американских инженеров) и по условиям эксплуатации или уровню качества, разработанному Американским нефтяным институтом (API).

Согласно SAE масла подразделяются на три категории: летние, всесезонные, зимние. Летние маркируются: 20, 30, 40, 50 (вязкость в секундах Сейболта при температуре 98,9 °С); зимние — 10W, 15W, 20W, 25W (цифры означают вязкость в секундах Сейболта, a «W» — первая буква английского слова «Winter» зима); всесезонные (загущенные) масла имеют двойную нумерацию. Например, 10W/50 означает, что данное масло при температуре минус 17,8 °С соответствует по вязкости SAE 10, а при температуре 98,9 °С — SAE 50.

Классификация масла по условиям эксплуатации API подразделяет масла на две категории: S — категория «Сервис» (для карбюраторных двигателей) и С — коммерческая категория (для дизелей). При этом для карбюраторных двигателей применяют маркировку SA, SB, SC, SD, SE, SF, а для дизелей — CA, CB, CD. Таким образом, вторая буква обозначает степень качества масла. В настоящее время за рубежом выпускают масла только групп SF и SG для бензиновых двигателей, а для дизелей — СС, CD, СЕ.

Большинство современных масел универсальны, т. е. применимы как для бензиновых двигателей, так и для дизелей. Такие масла имеют двойное обозначение — SF/CC, SF/CD, CG/CD, SG/CE, CD/SF, СЕ/SG и др., где на основное назначение указывают первые буквы.

Для двигателя ЗМЗ-53 автомобиля ЗИЛ-130 применяется масло М-8-В₁.

Масло М-6₃/10-В используют как универсальное для карбюраторных двигателей. Оно пригодно также для мало- и среднефорсированных дизелей.

Масла М-8-Г_2К и М-10-Г₂ используются соответственно в качестве зимнего и летнего для высокофорсированных дизелей.

В небольшом количестве выпускаются универсальные масла на импортных присадках, такие, как М-8-ГИ, М-10-ГИ, М-12-ГИ.

В определенных случаях отработавшие масла собирают и регенерируют. В маркировку таких масел добавляют букву «Р», например, М-8-Б₁Р.

В любом случае при выборе марки масла необходимо руководствоваться рекомендациями завода-изготовителя данного двигателя или данного автомобиля.

В табл. 2.5 показано соответствие групп моторных масел по эксплуатационным свойствам согласно ГОСТ 17479.1—85 и API.

Таблица 2.5. Соответствие отечественных и зарубежных моторных масел по условиям эксплуатации и уровню качества

Переход масел от низших групп к более высоким достигается, как правило, путем расширения ассортимента и количества присадок.

Существует еще и европейская классификационная система АСЕА (Ассоциация европейских производителей). Европейские двигатели легковых автомобилей конструктивно более форсиро-

ваны и работают при больших частотах вращения коленчатого вала и удельных нагрузках. Поэтому масла, отвечающие американскому стандарту, не всегда соответствуют европейским требованиям.

Согласно АСЕА, масла по назначению делятся на три категории: А — для бензиновых двигателей, В — для дизелей легковых автомобилей, Е — для дизелей грузовых автомобилей. Число определяет эксплуатационные свойства: 1 — энергосберегающие масла; 2 — масла того же уровня, но не энергосберегающие; 3 — технические требования на перспективу.

Пример: моторное масло Castrol TXT, Sotec Plus удовлетворяет требованиям как API (SH/CD), так и АСЕА (А2—96, В3—96).

Отечественные производители моторных масел в сопроводительных документах и на упаковочной таре указывают, как правило, двойную маркировку: в соответствии с ГОСТ, а также в соответствии с SAE и API.

2.2.4. Синтетические масла для двигателей

Нефтяные масла не всегда полностью отвечают требованиям современных конструкций автомобильных двигателей. Поэтому разработаны и применяют синтетические масла, для производства которых не требуется нефть.

Известны синтетические масла, полученные на основе сложных эфиров, полиалкингликолевые, полисилоксановые, фторуглеродные и хлорфторуглеродные.

Синтетические масла отличаются, прежде всего, высокими вязкостно-температурными свойствами.

Индекс вязкости у синтетических масел от 160 до 175, в то время как у лучших образцов минеральных масел он не выше 120. Температура потери подвижности у этих масел не выше 55—65 °С, в то же время при температурах до 250—300 °С их вязкость в три—пять раз выше, чем у равновязкого (при температуре 100 °С) минерального масла.

Для синтетических масел характерны высокая термическая стабильность, низкая испаряемость, небольшие высокотемпературные отложения, хорошие противоокислительные и диспергирующие свойства, противоизносные и противозадирные свойства.

Как правило, синтетические масла можно смешивать с минеральными, добавляя их в количестве 30—40 %. Срок службы синтетических масел во много раз превышает срок службы минеральных масел и составляет 80—100 тыс. км пробега автомобиля, поэтому их расход с учетом меньшего угара ниже минеральных в пять—десять раз. Однако стоимость синтетических масел в два—три раза выше минеральных. Кроме того, некоторые синтетические масла (диэфиры) более агрессивны к резиновым деталям, другие имеют недостаточные смазывающие и противоизносные свойства (полисилоксаны) или пониженные вязкостно-температурные свойства (фторуглероды). В целом синтетические масла являются перспективными, и их производство будет расширяться.

Контрольные вопросы

1. Назовите причины старения моторного масла.

2. Перечислите требования, предъявляемые к моторным маслам.

3. Что относят к эксплуатационным свойствам масел?

4. Назовите виды присадок к маслам, их назначение?

5. Как классифицируются моторные масла по ГОСТ?

6. Как классифицируются моторные масла по SAE и API?

7. В чем преимущества синтетических масел перед минеральными?

Автор: В. А. СТУКАНОВ
«АВТОМОБИЛЬНЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ»