Раздел 3. Моторные масла. Масла вспомогательных механизмов

Тема 12. Моторные масла

12.1 Получение масел

Рисунок 12.1 – Схема получения масел из нефти.

На рисунке 12.1 показана схема получения масел из нефти. Сначала очищенную нефть нагревают до 300÷225°С, пары нефти поступают в разделительную колонну. Колонна внутри разделена на несколько секций, состоящих как бы из нескольких полок. Температура в секциях разная – вверху колонны температура ниже, чем внизу. Поднимающиеся вверх пары нефти с близкими температурами кипения конденсируются (освобождаются) в секциях. Углеводороды, имеющие более низкую температуру кипения, поднимаются выше и конденсируются в верхней секции, фракции, имеющие более высокую температуру кипения, осаждаются в нижних секциях. Образовавшиеся продукты выводятся из колонны наружу. Внизу колонны собираются остаток перегонки мазут.

Подогретый мазут поступает на дальнейшую перегонку во вторую разделительную колонну, устроенную также как и первая, с той разницей, что из нее частично удален воздух, следовательно, разделение мазута на масла производится под вакуумом. Из колонны с различной высоты отводятся дистилляты: веретенный, машинный, автоловой, цилиндровый. Внизу колонны остается гудрон, который используется ан производство дорожного асфальта.

Рисунок 12.2 – Схема перегонки нефти

Дистилляты смазочных масел – это еще не готовые масла. Для получения масел дистилляты подвергают отчистке серной кислотой, щелочью и отбеливающими землями. С помощью серной кислоты из дистиллятов извлекаются смолистые вещества и углеводы, склонные к окислению. Щелочь нейтрализует кислоты, которые могут быть в масле. Отбеливающие земли также удаляют из масла смолы и остатки кислоты после кислотной очистки. Часть мазута, оставшиеся после перегонки, используется для производства высоковязких масел.

Основу масел составляют базовые компоненты, обеспечивающие их смазывающие свойства и имеющие минеральное (нефтяное) или синтетическое происхождение. При использовании их в современном высокофорсированном двигателе и , особенно, при работе на тяжелом топливе масло будет быстро деградировать, терять свои свойства, будет иметь место интенсивная коррозия и износ, потеря ресурса, а в отдельных случаях – поломки. Поэтому в базовую основу современных масел вводится тот или иной комплекс присадок, призванных существенно улучшить их качественные характеристики.

Минеральная базовая основа масел состоит из продуктов переработки нефти, называемых Base Stock Oils, которые представляют собой дистилляты узкого фракционного состава, прошедшие ряд сложных и дорогостоящих операций очистки. Для получения Base Stock Oils обычно используют нефти парафинового основания, это обеспечивает наличие у масла высокого индекса вязкости, т. е. пологую вязкостно-температурную зависимость. Минеральные масла находят преимущественное применение в судовых двигателях и механизмах, причина – доступность и значительно более низкая стоимость.

Синтетическая базовая основа получается синтезом химических соединений определенного состава, обеспечивающего заранее заданные свойства. В первую очередь это относится к вязкостно-температурным характеристикам. Синтетические масла в сопоставлении с минеральными, обладают более высоким индексом, их вязкость меньше меняется при повышении температуры и меньше увеличивается при снижении температуры. Синтетическая основа обеспечивает высокую термическую стабильность масла и хорошую сопротивляемость окислению, низкую испаряемость и хорошую текучесть при отрицательных температурах. Синтетические масла незаменимы при эксплуатации двигателей в северных широтах и в Арктике. Более 1/3 синтетических масел изготавливаются на основе полиальфаолефинов, обладающих отличными характеристиками и универсальными смазывающими свойствами и они наиболее дешевы. В основу части синтетических масел включаются эфиры, наличие которых вызывает разбухание резиновых и пластмассовых уплотнителей с последующим возникновением протечек.

Рисунок 12.3 – Схема переработки мазута для получения масел

12.2 Показатели качества масел.

Важнейшими физико-химическими показателями масел, влияющих на долговечность и надежность ДВС, являются: вязкость, индекс вязкости, щелочное число, температура застывания, температура вспышки и испаряемость, термоокислительная стабильность, содержание механических примесей и воды.

Вязкость – является важнейшей характеристикой масла, она определяет величину внутреннего трения в слое жидкости, определяющего сопротивление ее течению.

За рубежом вязкость масел приято классифицировать номерами (категориями) SAE, численное значение которых придается маслам, вязкость которых лежит в пределах, указанных в табл. 12.1

Таблица 12.1 – Градация масел по вязкости SAE.

Класс по госнадзору	Класс SAE	Кинематическая вязкость при 100°С	Минимальная температура перекачивания
Минимальная	Максимальная
Моторные масла
33	0W	Не менее 3,8		-35
33	5W		3,8	-30
43	10W		4,1	-25
53	15W		5,6	-20
63	20W	5,6		-15
	25W	9,3		-10
		5,6	7,0	-
		9,3	12,5	-
		12,5	16,3	-
		16,3	21,9	-
		21,9	26,1	-
	15W/30	5,6	12,5	-20

Вязкость определяет эффективность смазки, ее способность воздавать пленку между трущимися поверхностями, тем самым, предотвращая их непосредственный контакт, изнашивание и рост температуры в зоне контакта.

Чем выше вязкость, тем выше прочность пленки, тем более высокие удельные давления она выдерживает, тем самым, обеспечивая наиболее благоприятный режим гидродинамической смазки. С ростом вязкости масла растут потери на трение и ухудшается растекание масла, затрудняется его движение в узких щелях и каналах, что может привести к масляному голоданию в наиболее удаленных точках смазки, чаще всего встречающемуся при пуске холодного двигателя.

Чем ниже вязкость тем тоньше и слабее пленка масла между трущимися поверхностями, тем больше вероятность ее локального разрушения и касание поверхностей. Использование масел с низкой вязкостью несет и ряд преимуществ, связанных с уменьшением потерь на трение, повышением текучести масла улучшением отвода тепла из зоны трения. Низкая вязкость масел отрицательно влияет на его расход. В этом случае увеличивается заброс масла в камеру сгорания, где оно сгорает и вместе с выхлопными газами уходит в атмосферу.

Применение вязких масел увеличивает потери масла на угар. Высоковязкие масла обладают большей склонностью к нагарообразованию, а это влечет за собой потерю подвижности и уплотняющей функции поршневых колец. Итогом является увеличение прорыва газов в картер, в ходе которого происходит сгорания части масляной пленки на зеркале цилиндра и унос ее в виде пара и газов через вентиляционную систему картера.

Масла повышенной вязкости рекомендуется применять в двигателях, режим эксплуатации которых сопряжен с высокими нагрузками, характеризующихся большими давлениями на поверхности трения и высокими температурами.

Индекс вязкости представляет эмпирическую безразмерную величину, характеризующую вязкостно-температурную зависимость масел.

Масла с высоким индексом вязкости (100 и более) характеризуются относительно малым падением вязкости при повышении температуры, малый индекс вязкости свидетельствуют о существенном падении вязкости.

При выборе масел желательно стремиться к использованию масел по возможности с более высоким индексом вязкости (85-100 и выше), т. к. они позволяют обеспечивать более стабильную вязкость в широком диапазоне температуры и тем самым гарантировать сохранение масляной пленки и гидродинамический режим смазки как на малых, так и на высоких нагрузках. Высокий индекс вязкости достигается введением в масла специальных присадок, с помощью которых обеспечивается возможность использовать масла в широком диапазоне температур от отрицательных (-40°) до высоких положительных (+80÷100°). Этот путь используется при производстве гидравлических масел, применяемых в палубных механизмах, и в всесезонных маслах для автотракторных двигателей.

Общее щелочное число (ОЩЧ) определяется содержанием в миллиграммах едкого кали (КОН) на 1г масла. Наличие щелочного числа у масла указывают на отсутствие неорганической (минеральной)кислоты, обеспечивает защиту деталей от кислотной коррозии, которая может возникать в процессе сгорания содержащейся в топливе серы. Особенно это проявляется в высокофорсированных дизелях и при работе на сернистых топливах. Износы ЦПГ прямопропорциональны содержанию серы в топливе. Поэтому для нейтрализации вредного воздействия продуктов сгорания серы моторные масла содержат специальные присадки. Такие присадки не только надежно нейтрализуют кислоты, но и, обладая хорошими моющими свойствами, в значительной степени способствуют продлению периодов между мотоочистками с обеспечением чистоты поршневых колец и окон продолжительное время.

Термоокислительная стабильность нейтрализует способность масла противостоять действию высоких температур. При работе двигателя масло подвергается температурным воздействиям в трех различных зонах. В первой зоне – камере сгорания – масло подвергается воздействию наиболее высоких температур, в результате чего на деталях отлагаются твердые коксообразные или рыхлые вещества, толщина которых может достигать нескольких миллиметров. Во второй зоне – шатунно-поршневой группе – под воздействием температур образуются лаковые отложения представляющие собой тонкий слой лака (до 100÷200 мкм), который прочно удерживается на поверхности деталей двигателя.

Лак способствует пригоранию поршневых колец, затрудняют отвод тепла. Пригорания колец облегчает проникновение масла в камеру сгорания, снижает компрессию двигателя, что способствует прорыву газов в картер, вызывает чрезмерное трение, повышенный износ деталей ЦПГ, поломку колец, а иногда и заклинку поршня в цилиндре.

В третьей зоне – картере, фильтрах, трубопроводах и других элементах масляной системы – воздействия температур менее заметно, т. к. слой масла большой, а температуры сравнительно малы. Количество образующихся осадков в картере и на фильтрах во многом зависит от антиокислительной способности масла. Осадки представляют большую опасность поскольку могут закупорить маслоканалы, маслопроводы, фильтры и вызвать аварию двигателя.

Старение масла идет в двух направлениях: срабатываются присадки и накапливаются загрязнения. Загрязнение масла происходит за счет неполного сгорания топлива, продуктов рассада самого масла продуктов износа деталей двигателя, пыли и других твердых частиц. Особенно интенсивно загрязняется масло в процессе сжигания топлива повышенной вязкости, которое содержит высокомолекулярные асфальтены, сгорающие очень медленно с образованием агезионных соединений. В двигателе масло подвергается воздействию высоких температур, в результате чего углеводороды претерпевают глубокие превращения. Продукты таких превращений (оксикислоты, асфальтены, карбены, карбоиды) нерастворимы в масле и, накапливаясь, существенно увеличивают износы деталей двигателя.

Накопление в масле загрязнений приводит помимо повышения износов к ухудшению моющих свойств, что способствует образованию различных нагаролакоотложений, препятствующих нормальной работе дизеля.

Содержание воды в масле приводит к ряду нежелательных явлений:

- ухудшаются защитные свойства масла из-за истощения моющее-диспергирующих присадок водой, вследствие чего возрастают износы деталей ЦПГ и ускоряется загрязнение двигателя;

- укрупняются загрязняющие частицы, которые осаждаясь в отверстиях, приводят к нарушению режима смазки и повышенным гидравлическим сопротивлениям в системе;

- нарушается гидродинамический режим смазки подшипников (при повышенном содержании воды в масле);

- повышается вероятность поражения масла микроорганизмами, необходимым условием жизнедеятельности которых является наличие воды.

Температура застывания.

Температурой застывания считается та низшая температура, при которой масло теряет свою подвижность. Температура застывания масел, рекомендуемых для циркуляционных систем судовых двигателей, обычно лежит в пределах – -9÷-15°С.

Температура вспышки и испаряемость.

Температурой вспышки является низшая температура, при которой нагреваемое масло испаряется и образующиеся пары, перемешиваясь с воздухом, создают смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени. Определение температуры вспышки (Т_всп) осуществляется в открытом или закрытом тиглях. Т_всп, полученная в открытом тигле в среднем на 30° выше. Температура вспышки масел лежит в пределах 200-230°С. Основу смазочных материалов составляют фракции нефти, выкипающие при 200-500°С. Их нагревание в двигателях и механизмах приводит к потере легких фракций, что вызывает изменение углеводородного состава, ухудшение вязкостно-температурных свойств, повышение температуры застывания и, что наиболее важно, – повышенный расход масла. Об испаряемости масла судят по фракционному составу и температуре вспышки. Чем ниже температура вспышки, тем легче фракционный состав, тем при более низкой температуре, выкипают легкие фракции, тем выше будет расход масла.

12.3 Классификация моторных масел

Таблица 12.2 – В зависимости от области применения моторные масла делят на группы А, Б, В, Г, Д, Е.

Группа масла по эксплуатационным свойствам.	Рекомендуемая область применения
А	Нефорсированные бензиновые двигатели и дизели.
Б	Б1	Малофорсированные бензиновые двигатели, работающие в условиях, способствующих образованию высокотемпературных отложений и коррозии подшипников.
Б2	Малофорсированные дизели.
В	В1	Среднефорсированные бензиновые двигатели, работающие в условиях, способствующих окислению масла и образованию всех видов отложений.
В2	Среднефорсированные дизели, предъявляющие повышенные требования к антикоррозионным, противоизносным свойствам масел и склонности к образованию высокотемпературных отложений.
Г	Г1	Высокофорсированные бензиновые двигатели, работающие в тяжелых эксплуатационных условиях, способствующих окислению масла, образованию всех видов отложений, коррозии и ржавлению.
Г2	Высокофорсированные дизели без наддува или с умеренным наддувом, работающие в эксплуатационных условиях, способствующих образованию высокотемпературных отложений.
Д	Д1	Высокофорсированные бензиновые двигатели, работающие в эксплуатационных условиях, более тяжелых, чем для масел группы Г1.
Д2	Высокофорсированные дизели с наддувом, работающие в тяжелых эксплуатационных условиях или когда применяемое топливо требует использования масел с высокой нейтрализующей способностью, антикоррозионными и противоизносными свойствами, малой склонностью к образованию всех видов отложений.
Е	Е1 Е2	Высокофорсированные бензиновые и дизельные двигатели, работающие в эксплуатационных условиях, более тяжелых, чем для масел групп Д1 и Д2. Отличаются повышенной способностью, лучшими противоизносными свойствами.

Индекс 1 присваивают маслам для карбюраторных двигателей, индекс 2 – для дизелей. Универсальные моторные масла, предназначенные для использования как в дизелях, так и в карбюраторных двигателях одного уровня форсирования, индекса в обозначении не имеют.

Универсальные моторные масла, принадлежащие к разным группам, должны иметь двойное обозначение, в котором первое характеризует качество масла при применении в дизелях, второе – в карбюраторных двигателях.

Классификация моторных масел – API (США и Европа). Масла для бензиновых и дизельных двигателей классифицируются в зависимости от содержания в них пакета присадок и определяемых ими моторных свойств по категориям в соответствии с требованиями Американского Нефтяного Института – API разработанными совместно API, SAE и ASTM (Американское Общество Испытания Материалов).

Масла для дизелей.

API CC²– для умеренного и тяжелого режимов эксплуатации дизелей без наддува – в настоящее время снимется с производства.

API CD³для тяжелых режимов эксплуатации, для дизелей с наддувом. Защищает от высоко- и низкотемпературных отложений, износа, ржавчины и коррозии. Удовлетворяет общим требованиям двигателестроителей 1960-1980гг. в настоящее время снимается с производства, заменяется маслами группы CF, СЕ.

API CE – для тяжелых режимов эксплуатации дизелей с турбонаддувом, выпускаемых с 1983г., может заменять масло СС.

API CF улучшенные характеристики по сравнению с маслом CD, рекомендуется при использовании высокосернистых топлив.

API CF-4 для высокоскоростных четырехтактных дизелей, выпускаемых с 1990г.

API CG-4 и CH-4 для дизелей выпуска 1995г. и далее предназначается для малосернистых топлив и удовлетворяет требованиям Стандарта по эмиссии выхлопа.

Зарубежная классификация предусматривает разделение моторных масел, во-первых, по напряженности условий их работы в двигателе – классификация API и во-вторых, по вязкости – классификация SAE.

В обозначении зимних сортов дополнительно вводится буква W. Всесезонные масла обозначаются сдвоенными номерами шкалы SAE, например SAE 5W/30, это означает, что масло при повышенных температурах имеет такую же вязкость, как масло SAE30, а при низких температурах его вязкость не превышает вязкости зимнего масла SAE5.

Таблица 12.3 – Ориентировочное соответствие классов вязкости моторных масел настоящего стандарта классификацииSAEJ300 JUN87.

Класс вязкости	Класс по SAEJ300 JUN87	Класс вязкости	Класс по SAEJ300 JUN87
33	5W	33/8	5W-20
43	10W	43/6	10W-20
53	15W	43/8	10W-20
63	20W	43/10	10W-30
		53/10	15W-30
		53/12	15W-30
		53/14	15W-40
		63/10	20W-30
		63/14	20W-40
		63/16	20W-40

Таблица 12.4 – Ориентировочное соответствие групп моторных масел по эксплуатационным свойствам.

Группа масел по стандарту	Классификация API	Группа масел по стандарту	Классификация API
А	SB	Г1	SE
Б	SC/CA	Г2	CC
Б1	SC	Д	CD/SF
Б2	CA	Д1	SF
В	SD/CB	Д2	CD
В1	SD	Е	CF-4SG
В2	CB	Е1	SG
Г	SE/CC	Е2	CF-4

Примеры обозначения моторных масел

М-8-В_1,

где М – моторное масло 8-класс вязкости, В₁ – масло для среднефорсированных карбюраторных двигателей;

М-6₃/10-В

где М – моторное масло, 6₃/10 – класс вязкости, В-универсальное масло для среднефорсированных дизельных и карбюраторных двигателей;

М14Д₂(ЦЛ20),

где М – моторное масло, 14 – класс вязкости, Д₂ – масло для высокофорсированных дизелей с наддувом, ЦЛ – масло используется в циркуляционной и лубрикаторных системах смазки, 20 – щелочное число.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие процессы проходят продукты перегонки нефти для изготовления масла?

2. Назовите основные физико-химические свойства масел.

3. Как подразделяются моторные масла по эксплуатационным свойствам?

4. Какое свойство масла взято в качестве основного критерия в классификации SAE?