Противопенные свойства масел

Интенсивное движение коленчатого вала и шатунов, а также внешние воздействия на масло в картере двигателя (вибрации, ускорения-торможения, наклоны) приводят к тому, что в масло увлекаются газы, находящиеся в картере. По некоторым оценкам [25], в масле может оказаться до 25 % газа по объему. Это явление называют аэрацией масла.

Аэрация – основная причина вспенивания масла. Аэрированное масло обладает худшей смазывающей способностью, меньшей химической стабильностью и повышенной коррозионной активностью. При интенсивной аэрации возможно появление воздушной эмульсии у заборного элемента масляной системы двигателя и, как следствие этого, – масляное голодание смазываемых поверхностей.

Основное влияние на образование пены оказывают свойства масла. Маловязкие масла образуют пену, состоящую из крупных пузырьков, которые при остановке двигателя быстро исчезают. В высоковязких маслах образуются мелкие газовые пузырьки, создающие стабильную пену. На стабильность пены влияет величина поверхностного натяжения масла: чем оно ниже, тем быстрее из масла выделяются воздушные пузырьки. Поверхностное натяжение масла уменьшается с увеличением глубины его очистки и увеличивается с внесением в него композиций присадок – противозадирных, антикоррозионных и моющих.

Для уменьшения вспениваемости масел в них вводят противопенные присадки. Жидкие силоксаны (к примеру, полидиметилсилоксаны) являются весьма эффективными противопенными добавками при концентрациях всего 0,0001…0,001 об. % (при больших концентрациях – свыше 0,005 об. % – присадка дает антагонистический эффект по отношению к другим свойствам масла, в частности ухудшая смазывающие свойства). Механизм пеногасящего действия кремнийорганических соединений заключается в том, что они плохо растворяются в масле и располагаются на его поверхности в виде тончайшей пленки. Обладая меньшим поверхностным натяжением (около 21 мН/м), чем масло, эти пленки ускоряют вывод газов из толщи масла и препятствуют стабилизации пузырьков пены. Пример отечественной присадки – полиметилсилоксан ПМС-200А.

Кроме полисилоксановых жидкостей с большим успехом применяются и другие соединения, такие как полиэтиленгликолевые эфиры и сульфиды, тиофосфаты, нитро- и аминоспирты, соединения фтора и пр.

Стандартного метода оценки антипенных свойств моторных масел в нашей стране не существует, но могут быть применены стандарты ASTM или DIN [19], фиксирующие объем и стабильность пены.

Помимо взаимодействия с картерными газами моторные масла способны образовывать стабильные эмульсии с водой и охлаждающими жидкостями, которые могут попасть в картер двигателя в результате конденсации паров воды на низконагретых стенках или из-за течи ОЖ из системы охлаждения. В любом случае образование эмульсии снижает смазывающие свойства масла и увеличивает его коррозионную агрессивность. Наличие, а также количество воды в масле может быть определено различными методами (ГОСТ 1547–84, ГОСТ 2477–65 и др.). Стабильная фаза вода–масло может быть разрушена путем изменения межфазного натяжения, для чего пригодны практически все ПАВ. Такого рода присадки получили название деэмульгаторов, оно вносятся в масло в количестве нескольких мкг/кг.

8.8. Изменение свойств масел при эксплуатации
и хранении

Изменения, происходящие с маслом при работе двигателя, можно охарактеризовать как количественные и качественные. Количественные изменения – это испарение легких масляных фракций, угар масла, вытекание масла через уплотнительные устройства. Качественные изменения масла связаны с химическими превращениями его компонентов, с попаданием в масло пыли, продуктов износа, воды и несгоревшего топлива. В процессе эксплуатации происходит срабатывание присадок, что приводит к изменению многих показателей качества масла. В общем случае комплексная присадка расходуется на нейтрализацию кислых продуктов и на создание защитных пленок на деталях, она адсорбируется на частицах продуктов загрязнения масла, сгорает вместе с маслом, разрушается под действием высоких температур и давлений. Все эти нежелательные изменения, происходящие с маслом при нарушении сроков его замены, могут привести к повышенным износам, снижению мощности и экономичности двигателя, к повышению его негативного влияния на внешнюю среду и в конечном итоге к выходу двигателя из строя.

Изменение состава масла (рис. 39) приводит к тому, что большинство его физико-химических показателей существенно изменяется. Производители двигателей и смазочных материалов обычно устанавливают сроки замены масла, основываясь на среднестатистических скоростях его старения. Этот подход вполне оправдывает себя при эксплуатации двигателей относительно небольшой мощности с малыми объемами заправочных емкостей масла. При этом индивидуальная скорость старения масла никак не фиксируется и есть опасность слишком поздней замены масла (если двигатель работает в очень тяжелых условиях), что отразится снижением ресурса двигателя. С другой стороны, слишком ранняя замена масла не выгодна экономически. Тем не менее такая система является общепринятой, к примеру, на автомобильном транспорте.

Организации, эксплуатирующие мощные ДВС с большими запасами работающего моторного масла, при его замене пользуются средними браковочными показателями. Принцип нормирования сроков замены масла по достижении им браковочных показателей следует считать более правильным и экономически выгодным, хотя и более трудоемким. Среди общепринятых браковочных показателей следует выделить изменение вязкости, температуры вспышки, наличие в масле механических примесей, топлива и воды, кислотное и щелочное числа.

В процессе эксплуатации вязкость масел, не содержащих вязкостных присадок, возрастает вследствие накопления в них продуктов окисления, а также из-за частичного испарения легкокипящих углеводородов. Однако вязкость масла может существенно упасть при попадании в масло топливных фракций. Изменение вязкости масел с вязкостными присадками определяется протеканием двух взаимно противоположных процессов: накоплением продуктов окисления (вязкость растет) и деструкцией вязкостных присадок (вязкость падает). В результате этого исходная рабочая вязкость может не измениться, увеличиться или уменьшиться, но индекс вязкости масла уменьшается всегда. Обычно масло бракуют, если его вязкость при какой-либо температуре изменилась более чем на 5…25 %.

Температура вспышки, которую определяют либо в открытом (ГОСТ 4333–87, рис. 40), либо в закрытом тигле (ГОСТ 6356–75), в процессе эксплуатации снижается. Это объясняется накоплением в масле как уже предокислившихся тяжелых углеводородов, склонных к реакциям последующего окисления, так и более легко испаряющихся топливных фракций. Масло бракуют при снижении температуры вспышки с 200…235 до 150…200 °С.

Во время эксплуатации масел с высокими щелочными свойствами присадка реагирует с продуктами окисления масла, образуя высоковязкие вещества, способные увеличить начальную вязкость до 50 %. При этом исходная щелочность масла снижается за время эксплуатации с 7…80 до 0,5…2,0 мг KOH на 1 г масла. Кислотность масла, наоборот, растет и достигает 1,0…2,0 мг КОН/г масла. При достижении указанных показателей масло бракуют.

Серьезным фактором, ухудшающим качество масла, является его загрязнение продуктами окислительной полимеризации углеводородов масла, сгорания топлива, срабатывания присадок, износа и механическими примесями из внешней среды. Для определения содержания примесей применяют методы, основанные на фильтрации масла через специальные беззольные бумажные фильтры. Определяют либо суммарную массу осадка по отношению к определенной навеске масла, либо диспергирующую способность (по растекшемуся масляному пятну на фильтре). Масло бракуют при содержании в нем примесей в пределах 1…2 % или при снижении диспергирующей способности с 1 до 0,3. Содержание воды в работающем масле допускается в пределах 0,2…0,3 %.

Срок службы масла в двигателе можно в значительной степени продлить, если эффективно удалять загрязнения, пользуясь средствами очистки. Принципы их действия могут быть различными и основываться на различного рода силовых полях (гравитационных, центробежных, электро-магнитных), ультразвуке, а также на обычной механической фильтрации. В настоящее время на большинстве двигателей устанавливают полнопоточные сетчатые и бумажные фильтры (грубой и тонкой очистки). На параллельных ответвлениях масляных систем часто устанавливают центрифуги и другого рода фильтры. На крупных судовых и стационарных установках с ДВС возможно параллельное применение методов регенерации масла.