Характеристики качества и ассортимент моторных масел

Моторные масла для судовых дизелей должны соответствовать специальным требованиям морских двигателей. Они обычно имеют классификацию API CK-4 или CJ-4 и соответствуют определенным стандартам, установленным международными организациями, такими как CIMAC и OEM. Масла для судовых дизелей обеспечивают высокую защиту от износа, коррозии и окисления, а также имеют специальные добавки, чтобы справиться с особыми условиями эксплуатации в морской среде.

Вязкость масел может различаться в зависимости от требований конкретного двигателя и условий работы. Важно следовать рекомендациям производителя двигателя и использовать моторное масло, которое соответствует его требованиям и спецификациям.

Классификация моторных масел и присадок к ним

Современные ДВС имеют очень широкий диапазон рабочих параметров, а следовательно, различную тепловую и механическую напряженность и весьма различные условия эксплуатации в зависимости от объектов применения. Ранее ассортимент моторных масел складывался стихийно, и называли масла часто по области их применения:

• автомобильные,
• авиационные,
• дизельные и т. д.

В настоящее время, когда различные модификации одного дизеля могут применяться на судах, автомобилях, кранах и т. д., такой подход потерял практический смысл.

Более правильно учитывать реальные эксплуатационные свойства масел с присадками и предназначать их для различных групп двигателей. При этом целесообразно учитывать не только параметры самого двигателя и его масляной системы, но и условия эксплуатации (сорт топлива, режимы работы и т. д.).

В настоящее время в России введена новая классификация моторных масел, разработанная институтом ВНИИНП (табл. 1).

Все моторные масла разделены на шесть групп – А, Б, В, Г, Д и Е, причем каждая группа может включать масла, различающиеся по вязкости от 6 до 20 сСт при 100 °C.

Каждый сорт масла имеет свой индекс, например: М16В – моторное с вязкостью 10·10^-6мг/с при 100 °C группы В и т. д. Для каждой из групп масел по новой классификации характерны свои показатели и моторные свойства (запас качества).

• Группа А – включает масла без присадок или содержащие только небольшое количество антиокислительной присадки или депрессатора. Эти масла предназначены для бензиновых карбюраторных двигателей или для некоторых типов малонапряженных дизелей, работающих на малосернистом топливе.
• Группа Б – масла, содержащие до 3-4 % алкилфенольной присадки типа ЦИАТИМ-339 или АзНИИ-7, предназначенные для относительно малонапряженных, в основном тракторных дизелей, работающих на топливе с ограниченным содержанием серы (до 0,2-0,5 %).
• Группа В – масла, содержащие 4-7 % композиций присадок, для смазки форсированных дизелей (тепловозных, судовых), работающих на сернистых топливах с содержанием серы до 1%.
• Группа Г – масла для особо тяжелых условий работы, содержащие 7-12 % композиций присадок, для форсированных дизелей с наддувом, работающих на сернистых и тяжелых топливах.
• Группа Д – масла для сверхтяжелых условий работы, для форсированных дизелей с высокой степенью наддува. Содержание присадок может быть доведено до 18-20 % для тяжелых сернистых топлив.
• Группа Е – масла, предназначенные для смазки цилиндров крупных Виды и применение судовых топливных систем в дизеляхмалооборотных судовых дизелей с наддувом, работающих на тяжелых сернистых топливах, а также для смазки свободнопоршневых генераторов газа. Содержание присадок в маслах этой группы достигает 25 %.

Оптимальные соотношения различных групп присадок, введение которых обеспечивает получение масел всех групп, разработаны ВНИИНП.

Зарубежная классификация предусматривает разделение моторных масел:

• во-первых, по напряженности условий их работы в двигателе и,
• во-вторых, по вязкости (классификации API).

По жесткости условий работы зарубежные масла делятся на следующие группы:

1. Обычные масла, называемые также регулярными и премиальными. Они либо вообще не содержат, либо содержат небольшое количество только антиокислительных присадок и предназначены для карбюраторных двигателей и малонапряженных дизелей, работающих на малосернистом топливе.
2. Масла для более тяжелых условий работы, чем обычные; обозначаются HD.
   Содержат значительное количество моющих и антиокислительных присадок.
3. Масла для особо тяжелых условий работы. В зависимости от особенностей применения масла в двигателе (степень наддува, наличие переменных режимов, содержание серы в топливе и т. п.) разделяются на серии 1, 2 и 3.

Сорта серии 1 – масла с антиокислительными и моющими присадками для дизелей, работающих в умеренно тяжелых условиях на сернистом топливе. Сорта серий 2 и 3 – масла с антиокислительными и моющими присадками для дизелей, работающих в особо тяжелых условиях (высокий наддув, высокотемпературный режим, на сернистом топливе).

По мере утяжеления условий работы масла количество добавляемых присадок возрастает.

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 SAE-30, а при низких температурах его вязкость не превышает вязкости зимнего масла SAE-5.

Из табл. 2 видно, что рабочие температуры деталей и масел довольно высоки как в карбюраторных двигателях, так и тем более в дизелях, что существенно влияет на вязкость моторных масел при их работе в ДВС и системе.

В табл. 3 даны температуры, при которых моторные масла имеют эквивалентные вязкости (российские и зарубежные сорта). Товарные зарубежные сорта моторных масел обычно называют по названию фирмы, например «Шелл Ротелла Т» (масло фирмы «Шелл») и т. д.

Российские ГОСТы в настоящее время приводятся в соответствие с новой классификацией моторных масел, но сохранились еще и старые наименования. Например, по ГОСТ 21743-76 сохранилось название «масла авиационные», хотя они входят в класс моторных масел и частично применяются в судовых дизелях. То же относится к автомобильным и дизельным маслам, которые также принадлежат к моторным и должны именоваться по новой классификации.

Ассортимент моторных масел России дан в табл. 4.

В Болгарии, Венгрии, Германии, Польше, Румынии, Чехии действует 27 национальных стандартов на автотракторные и дизельные масла, по которым выпускается 76 сортов моторных масел. Естественно, они должны быть унифицированы (табл. 5).

Примечание. С – количество стандартов, М – количество марок.

Российские моторные масла и присадки

По характеру действия присадки к моторным маслам могут быть разбиты на следующие группы:

1. Моющие (детергентно-диспергирующие);
2. Антиокислительные;
3. Антикоррозионные;
4. Антиизносные и антизадирные;
5. Вязкостные присадки (загустители);
6. Депрессаторы;
7. Антипенные присадки;
8. Прочие присадки (красители, дезодораторы и др.).

Для дизелей наибольшее распространение получили многокомпонентные композиции присадок. По химическому составу и строению многофункциональные присадки могут быть разбиты на следующие основные типы:

1. Алкилфенольные присадки;
2. Алкилсалицилатные присадки;
3. Сульфонатные присадки;
4. Алкилдитиофосфатные присадки;
5. Фосфорсодержащие присадки;
6. Беззольные присадки (сукцинимидные и др.)

Для исследований в судовых дизелях выбирались наиболее эффективные монофункциональные присадки – компоненты для различных композиций. Из отдельных компонентов составлялись композиции присадок с целью получения высокоэффективных масел для дизелей различных типов.

Синтез композиции присадок должен обеспечить получение масел групп В и Г (сепии I и II) на базе отечественного сырья.

В табл. 6. дан состав некоторых композиций к моторным маслам.

В качестве моющих, моющедиспергирующих, антиокислительных и антикоррозионных компонентов современных композиций присадок к моторным маслам применяются следующие соединения:

• ДФ-11 – дитиофосфат цинка (антикоррозионный и антиокислительный компонент);
• ВНИИНП-370 – алкилфенолят кальция формальдегидной конденсации (моющий компонент);
• АФБ – алкилфенолят бария (моющий компонент);
• Л323К – диизоксантогенат этилена (противозадирный);
• ПМС-200А – полисилоксан (антипенный компонент);
• СБ-3 – алкилфенолят бария формальдегидной конденсации (моющий компонент);
• МАСК – сверхосновной алкилсалицилат кальция (многофункциональная присадка);
• АСК – алкилсалицилат кальция (моющая присадка);
• МНИИП-22К – диалкилфенилдитиофосфат кальция (моющая и антиокислительная присадка);
• ВНИИНП-360 – моющая и антиокислительная присадка;
• ИНХП-21 – бариевая соль продукта конденсации алкилфенола с аммиаком и формальдегидом (антиокислитель);
• ЛАНИ-317 – диалкилдитиофосфат цинка (антикоррозионный и антиокислительный компонент).

Многофункциональные присадки синтезируются в специализированных лабораториях. С этой целью исследованиям и испытаниям по специальным методикам подвергают:

• композиции присадок: алкилсалицилатный моющий компонент + высокоэффективный нейтрализующий компонент;
• композиции на основе зольных и беззольных компонентов – сукцинимидных присадок (ЛЗ-325, ДИПОЛ-40, СВ и ОЛОА-1 200);
• синтетические масла на основе эфира пентаэритрита, монокарбоновых кислот и адипиновой кислоты с композициями малозольных присадок.

В настоящее время цикл исследований новых и перспективных присадок и масел еще не закончен, поэтому ниже даются лишь отдельные предварительные результаты.

В табл. 7. приведены опытные данные о влиянии российских и импортных антиокислителей на свойства базовых масел.

Зарубежные моторные масла и присадки

Ведущие зарубежные нефтехимические фирмы:

• «Шелл»,
• «Бритиш Петролеум»,
• «Эссо»,
• «Мобил»,
• «Визура»,
• «Калтекс»,
• «Монсанто»,
• «Хайтеке» и др.

выпускают сотни товарных сортов масел: некоторые из них применяют на российских морских, рыбопромысловых и речных судах. Масла с присадками выпускаются за рубежом и на основе советских базовых масел высокого качества с импортными присадками (например, масла ТБ-ойл, Финляндия).

За рубежом существует ряд спецификаций на моторные масла.

В табл. 8 и 9 приведены спецификации США и Англии, а также дано примерное соотношение групп российских и иностранных масел по разным спецификациям на основе запаса качества.

За рубежом принят специальный комплекс моторных испытаний масел на одноцилиндровых установках (Питтер, «Катерпиллар» и т. д.) для оценки их эксплуатационных свойств в различных условиях (табл. 10).

В последнее время на мировом рынке появились новые цилиндровые масла для ДВС, основные характеристики которых даны в табл. 11.

Эксплуатационные и физико-химические свойства моторных масел

Современные моторные масла с присадками имеют сложный комплекс эксплуатационных свойств (запас качества), определяющих эффективность работы масла в дизеле и системе. Этот комплекс зависит как от свойств базового масла, так и от качества и эффективности композиций присадок.

Требования, предъявляемые к моторным маслам, зависят от конструкции, параметров и условий работы двигателей, а также от сорта применяемого топлива. Наряду с общими функциями уплотнения камеры сгорания в сопряжении поршень-зеркало цилиндра и отвода теплоты от узлов трения смазочные масла должны обладать следующими свойствами:

• хорошей смазывающей способностью;
• оптимальной для данного типа ДВС вязкостью и пологой вязкостно-температурной характеристикой;
• стабильностью при работе и хранении;
• минимальной склонностью к нагаро-, лако- и осадкообразованию;
• отсутствием коррозионного действия на детали;
• отсутствием склонности к интенсивному испарению.

Чем тяжелее условия эксплуатации, тем более высокие требования предъявляются к качеству масла. Так, при увеличенном давлении между трущимися поверхностями необходимо масло с более высокими смазывающими свойствами, а при смазке деталей, работающих в условиях повышенных температур, – масло, обладающее высокой термостабильностью.

Маслянистость, вязкость, теплоемкость. Основной функцией смазочного масла является снижение изнашивания, трения и предотвращение задиров. Эти функции проявляются при двух различных режимах смазки – граничном и гидродинамическом. Наиболее опасным с точки зрения долговечности двигателя является режим граничной смазки, который наблюдается при пуске и остановке ДВС, при перерывах в подаче масла, при недостаточной вязкости масла. Качества масла в этом случае определяются его смазочной способностью, основными составляющими которой являются маслянистость и вязкость.

Под маслянистостью понимают способность масла образовывать адсорбционную пленку на твердой поверхности и обеспечивать таким образом минимальный коэффициент трения, предотвращая непосредственный контакт твердых тел и тем самым их изнашивание и заедание. Существующие теории связывают маслянистость с явлениями избирательной адсорбции содержащихся в масле ингредиентов на поверхности металлических элементов в узлах трения. При этом наряду с чисто физическим адсорбционным процессом при образовании пленки на металлах происходят и химические реакции, обусловленные природой смазки.

Минеральные масла значительно уступают растительным и животным жирам в маслянистости. Входящие в состав этих жиров эфиры и кислоты являются основным источником их высокой маслянистости. Поэтому, например, добавка к минеральному маслу жирных масел или жирных кислот типа олеиновой или стеариновой неизменно резко повышает его маслянистость.

Соединениями, обусловливающими высокую маслянистость, могут быть кислородсодержащие вещества – нафтеновые и карбоновые кислоты, смолы, асфальтены. Все они содержатся в сыром остатке от перегонки нефти или в ее дистиллятах, но в процессе очистки приводит к частичному снижению маслянистости.

Маслянистость масла возрастает в процессе окисления его в двигателе, что ведет к появлению в масле новых продуктов, таких как:

• карбоновые и оксикарбоновые кислоты;
• альдегиды;
• спирты;
• фенолы и пр.

Вместе с тем сохранение содержащихся в масле природных поверхностно-активных веществ путем ограничения глубины очистки, а также окисление масла в двигателе и влияние присадок действуют положительно.

Вязкость – одна из главных характеристик моторного масла. Величина вязкости может быть выражена в единицах динамической и кинематической вязкости или в условных единицах. Условной, или относительной, называется вязкость, выраженная в некоторых условных единицах, получаемых на различных вискозиметрах:

• в градусах Энглера;
• в секундах Сейболта;
• в секундах Редвуда.

В России принято выражать условную вязкость в градусах ВУ, которые соответствуют градусам Энглера. Вязкость в градусах ВУ определяют вискозиметром по ГОСТ 6258-52. Вискозиметр состоит из двух сосудов, вставленных один в другой. Внутренний сосуд заполняют испытываемым маслом, а наружный служит баней для подогрева. После подогрева до требуемой температуры масло выдерживают в течение 5 мин, а затем фиксируют время истечения масла в измерительную колбу. Вязкость определяют как отношение времени истечения 200 мл испытуемого масла ν_t, взятого при заданной температуре (50 или 100 °C), ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды при температуре 20 °C ν₂₀, т. е. ν_t/ν₂₀.

При определении вязкости маловязкие масла подогревают до 50 °C, а высоковязкие – до 100 °C. Для перевода единиц кинематической и динамической вязкости в условные единицы пользуются таблицами либо формулами пересчета, приведенными в приложении 2 к ГОСТ 33-66.

Станция управления вязкостью судового топливаВязкость масла изменяется при изменении температуры и давления. Влияние давления начинает сказываться примерно с 4,9 МПа: чем выше давление, тем значительнее повышается вязкость. Это имеет важное значение для узлов трения, работающих при высоких давлениях и температурах, например в подшипниках коленчатого вала, где давление достигает 24,5-34,3 МПа.

Возрастание вязкости масла при повышении давления зависит от температуры. При более высоких температурах вязкость масла меньше зависит от давления, чем при низких. Приближенно повышение вязкости минеральных масел в зависимости от давления в границах температур 20-100 °C можно оценить согласно следующим данным:

• Давление, МПа:6,86; 14,7; 19,6; 39,2; 58,8.
• Повышение вязкости от исходной (при 0,1 МПа), %: 20-25; 35-40; 50-60; 120-160; 250-350.

Вязкостно-температурные кривые для различных масел представлены на рис. 1.

В существующих стандартах вязкостно-температурные своиства масел оцениваются условными величинами:

• отношением вязкостей масла при 50 и 100 °C;
• и температурным коэффициентом вязкости (ТКВ).

Для маловязких масел ТКВ определяется по формуле:

для высоковязких масел:

где:

• ν₀, ν₂₀, ν₅₀, ν₁₀₀ – кинематическая вязкость масла, сСт, соответственно при 0; 20; 50; 100 °C.

Чем меньше ν₅₀, ν₁₀₀ и ТКВ, тем лучшими оказываются вязкостно-температурные свойства масла.

Для оценки вязкостно-температурных свойств масел наибольшее распространение получил метод определения индекса вязкости. Он основан на сравнении вязкостно-температурных свойств испытуемого масла с вязкостно-температурными свойствами эталонных образцов масел. В качестве эталонов выбраны две серии масел различной вязкости:

• Первая серия включает масла, обладающие пологой кривой; их индекс вязкости оценивается баллом 100.
• Вторая серия состоит из масел с плохими вязкостно-температурными свойствами, их индекс вязкости оценивают баллом 0.

Чтобы определить индекс вязкости испытуемого масла, сравнивают его с двумя эталонными маслами, имеющими индексы 100 и 0 и вязкость при 98,9 °C, одинаковую с вязкостью испытуемого масла, а затем расчётным путем по установленной формуле вычисляют индекс вязкости. Кроме формулы, для вычисления индекса вязкости масел существуют номограммы. Маслам, обладающим более высоким индексом вязкости, отдается предпочтение перед маслами с низким индексом вязкости.

В практике эксплуатации о низкотемпературных свойствах масла принято судить по температуре его застывания. Температурой застывания называют температуру, при которой масло, залитое в пробирку стандартных размеров, настолько теряет подвижность, что при наклоне пробирки на 45° мениск не смещается в течение 1 мин. Условность этого показателя очевидна, и эксплуатационное его значение невелико. Температура, при которой подвижность масла достаточна для пуска холодного двигателя и для прокачки масла, всегда оказывается выше температуры застывания масла примерно на 10-20 °C.

Зависимость Судовые топливные системы дизелейизнашивания деталей двигателя от вязкости масла изучалась различными исследователями. Существует общая закономерность: при снижении вязкости растет расход масла и может возрастать изнашивание.

Вязкость сильно влияет на продолжительность пуска двигателя и на механические потери в ДВС.

Антизносные свойства моторных масел в основном зависят от качества присадок.

Из физических характеристик нефтепродуктов существенное значение имеет теплоемкость. Теплоемкость – это количество теплоты, необходимое для повышения температуры тела на 1 °C. Удельная теплоемкость – это отношение теплоемкости тела к теплоемкости равной массы дистиллированной воды.

Теплоемкость нефтепродуктов (топлив и масел) необходимо знать при расчете топливоподогрёвателей или масляных холодильников в судовых системах. Она может быть определена по эмпирической формуле Н. Л. Караваева:

где:

• C – средняя теплоемкость;
• t – температура, при которой определяется теплоемкость, °C.

Удельная теплоемкость смазочных масел лежит в пределах 0,4-0,6 ккал/кг и зависит от температуры (табл. 12).

Теплоемкость учитывается также при расчете процессов теплопередачи через масляную пленку в узлах трения двигателей и механизмов.

Коррозионные свойства. В настоящее время, когда в форсированных ДВС применяются свинцовые, медно-свинцовые и кадмиевые сплавы, необходимо определять, насколько они подвержены коррозионному воздействию органических кислот, которые образуются при работе масел в ДВС.

Как показывают исследования, наиболее часто применяемые медно-свинцовые, свинцово-щелочные и кадмиево-серебряные сплавы в сотни раз менее устойчивы против коррозии, чем оловянистый баббит.

Изучая коррозионное действие высокомолекулярных органических кислот, образующихся при старении масла, Н. И. Черножуков показал, что они действуют на металлы только в присутствии кислорода и воды. Кислород, участвующий в этом процессе, может быть кислородом воздуха либо входить в состав перекисей, образующихся в масле. Вода может попасть в масло извне, а также в процессе конденсации влаги, что неизбежно после остановки при постепенном охлаждении двигателя.

Механизм процесса коррозии можно представить следующим образом:

где:

• Me – металл.

Кроме органических кислот коррозию металлов могут вызывать активные сернистые соединения, входящие как в масло; так и в топливо. Наиболее активна сера в отношении серебра и меди. Однако коррозия в этом случае происходит лишь при высоких температурах, поскольку при температурах ниже 140° сера образует с металлом комплексы (пленки), удерживающиеся на поверхности металла и создающие антикоррозионный эффект.

Как известно, механическое действие нагрузки ускоряет процесс коррозии подшипников, что выражается в большем разрушении нагруженных вкладышей (нижние коренные и верхние шатунные), хотя механизм действия нагрузки остается еще недостаточно ясным.

Одним из наиболее эффективных средств борьбы с коррозией подшипников является добавление к маслу специальных антикоррозионных присадок, например присадки АКор.

Количество органических кислот (нафтеновых и свободных жирных) оценивается по кислотному числу, т. е. числу миллиграммов КОН, необходимому для нейтрализации 1 г масла (ГОСТ 5985-79). Однако оценка коррозионных свойств свежего масла кислотным числом не дает истинного представления о коррозии, которую может вызвать данное масло, поскольку наиболее опасны кислоты, образующиеся в масле в процессе последующего окисления. При этом коррозия зависит не только от количества, но и от характера органических кислот. Современные щелочные присадки к маслам нейтрализуют действие кислот и эффективно защищают ДВС от коррозии даже при работе на сернистых топливах.

Антинагарные свойства и термостабильность моторных масел. В любом ДВС имеются три зоны с резко различными температурными режимами. На деталях, расположенных в этих зонах, отлагаются твердые и пластичные вещества, различные по природе и характеру.

• Первой зоной является камера сгорания. Стенки ее покрываются шершавым твердым коксообразным или рыхлым сажистым веществом, толщина слоя которого достигает нескольких миллиметров.
• Вторая зона – шатунно-поршневая группа двигателя. Поверхность поршня в районе поршневых колец, поршневые кольца, тронк поршня, его внутренняя часть и шатуны покрываются тонкой лакообразной пленкой от светло-коричневого до черного цвета.
• В третьей зоне, т. е. в картере, на его стенках, фильтрах, в маслопроводах и сверлениях коленчатого вала, откладываются осадки различной, консистенции и состава. Наконец, часть твердых веществ может оставаться постоянно взвешенной в циркулирующем масле.

Влияние отложений на работу двигателя. Вред от всех видов отложений очевиден. Например, от нагара повышается температура деталей вследствие ухудшения теплоотвода, снижается механический КПД из-за увеличения потерь на трение, нарушается нормальный процесс горения, особенно в карбюраторном двигателе, где возникает детонация или калильное зажигание. Отложения в продувочных и выпускных окнах двухтактных дизелей уменьшают эффективное проходное сечение, ухудшая качество и полноту продувки цилиндра. Нагар на соплах форсунок нарушает их нормальную работу и ухудшает качество распиливания топлива.

Лак способствует пригоранию колец и перегреву деталей. Последствия, вызываемые пригоранием колец, т. е. залеганием их в канавках поршня, очень серьезны. Пригоревшие кольца способствуют большему проникновению масла в камеру сгорания и увеличивают его расход. Газы из камеры сгорания прорываются через пригоревшие кольца в картер, что уменьшает мощность двигателя, вызывает повышение температуры поршня и ведет к сильному загрязнению двигателя. Пригорание колец приводит также к чрезмерному трению, поломке колец, а иногда заеданию поршня. Действуя подобно изоляционному слою, лак ухудшает теплоотвод от поршня, что может повлечь за собой его прогорание.

Особенно интенсивно происходит образование осадков в форсированных двигателях. Осадки забивают клапан и фильтры тонкой и грубой очистки, маслопроводы, загрязняют сетки маслоприемника. Поэтому осадкообразование нередко вызывает прекращение подачи масла к трущимся деталям и последующую аварию двигателя.

Механизм образования отложений. Способность масла противостоять внешнему воздействию зависит от качества масла, определяемого его химическим составом, и от внешних условий.

Глубина превращений углеводородов зависит прежде всего от температуры среды. Часть масла, которая попадает в камеру сгорания и подвергается воздействию открытого пламени, сгорает либо подвергается глубокому термическому распаду. В зоне более низких температур происходит процесс окисления и термоокислительной полимеризации. В этом случае очень важно, в каком слое происходит окисление, – в тонком или толстом. Так, стекая тонким слоем по горячей поверхности поршня, масло подвергается воздействию наиболее высоких температур, в результате чего углеводороды претерпевают глубокие превращения, образуя нерастворимые в масле вещества:

• оксикислоты,
• асфальтены,
• карбены,
• карбоиды и др.

Масло в картере окисляется в толстом слое и при более низкой температуре, поэтому глубина превращений углеводородов меньше.

Одним из условий, определяющих осадкообразование в двигателе, является противоокислительная стабильность моторного масла: чем меньше масло склонно к окислению, тем меньше в нем накапливается продуктов окислительной полимеризации, тем меньше осадков образуется в двигателе. С другой стороны, большое влияние на образование осадков, представляющих собой эмульсии воды в масле, оказывает эмульгирующая способность масла. Установлено, что оксикислоты, в значительных количествах накапливающиеся в масле при работе двигателя на режиме низких температур и усиливающие эмульгирующее действие, а также асфальтены и смолы, наряду с попадающей в масло водой, являются основной причиной осадкообразования.

Большое влияние на осадкообразование оказывают техническое состояние двигателя и режим его работы. При работе изношенного двигателя на пониженном тепловом режиме и на холостом ходу загрязнение масла усиливается. Образуется так называемый низкотемпературный шлам. Отложения на указанных режимах увеличиваются главным образом за счет загрязнения масла продуктами, попадающими в него извне. Этому способствуют условия, при которых возрастает количество проникающих в картер газов, тяжелых неиспарившихся фракций топлива, продуктов неполного сгорания и облегчается конденсация паров воды. Нерастворимые вещества вначале накапливаются в масле, находясь во взвешенном состоянии. При увеличении концентрации избыточное их количество не удерживается и выпадает в осадок. Способность масла удерживать большее или меньшее количество нерастворимых веществ во взвешенном состоянии называют диспергирующей способностью.

При высоких диспергирующих свойствах масла на деталях и в поддоне картера отлагается меньше осадков, эффективнее становится фильтрация, благодаря которой продукты непрерывно удаляются и масло как бы освежается. При фильтрации масло очищается также от таких механических примесей, как продукты изнашивания, пыль, песок и другие вещества, которые попадают в масло при эксплуатации и вызывают повышенное абразивное изнашивание деталей двигателя.

Таким образом, современные присадки резко повышают термостабильность масел, снижают нагаро- и лакообразование и износ и обеспечивают высокую надежность работы ДВС.

Влияние качества масел с присадками на работу судовых дизелей

Характер действия присадок. Все современные моторные масла в России и за рубежом выпускаются только с присадками. Присадки обеспечивают запас качества масла, повышают его:

• антиизносные,
• антинагарные,
• антикоррозионные и другие свойства.

Это особенно важно при работе на сернистых моторных топливах, которые все шире применяются на морском и речном флоте.

На рис. 2 показана зависимость изнашивания цилиндровых втулок мощного судового дизеля от содержания серы, которое в тяжелых топливах достигает 3,5 %.

Можно сказать, что изнашивание увеличивается пропорционально содержанию серы в топливе, и это особенно сказывается в современных форсированных дизелях. Поэтому для форсированных дизелей, работающих на тяжелых топливах, применяют моторные масла высших групп (Г, Д и Е), с высоким содержанием щелочных (нейтрализующих) присадок. Щелочность таких масел достигает 10-30 мг КОН/г масла.

На рис. 3 показано, что повышение щелочности ведет к снижению относительного изнашивания деталей цилиндропоршневой группы на 50-70 %.

Такими свойствами обладают российские масла М10Г₂ЦС, М14ГБ, М16Е и масла зарубежных фирм (серия II и Марин дизель ойл).

На рис. 4 и 5 представлены результаты опытов, проведенных на дизелях с помощью метода радиоактивных изотопов (РАИ). В верхнее поршневое кольцо была помещена вставка из радиоактивного кобальта. По мере изнашивания кольца радиоактивные продукты попадали в масло. Чем больше был износ, тем выше становилась радиоактивность масла, которая измерялась числом импульсов радиоактивных частиц с помощью очень чувствительной радиометрической аппаратуры.

Из рис. 4 видно, что введение присадки в масло существенно замедляет темп изнашивания верхнего поршневого кольца при увеличенной нагрузке дизеля.

На рис. 5 показано, что минеральное масло с присадкой замедляет темп изнашивания поршневых колец в два-три раза. Это положительное влияние сказывается во всех типах двигателей.

Чем выше запас качества масла с присадками, тем меньше износы основных деталей и нагарообразования в камере сгорания и зоне поршня.

На рис. 6 представлены результаты испытаний различных масел на дизелях Ч 10,5/13 и Ч 8,5/11. Износы верхнего поршневого кольца на масле группы Б (ДСП-11) были приняты за 100 %. Применение масел более высокой группы В (М12В и α-11-2) снижает износ поршневых колец на 25-40 %; снижаются также износы втулок и подшипников. Это ведет к увеличению сроков службы дизелей до первой переборки и капитального ремонта.

Из рис. 7 также видно, что применение масла группы В (ДС-11 + ВНИИНП-360) вместо масла без присадок ДС-11 в мощном быстроходном дизеле Д100 существенно снижает износ поршневых колец, цилиндровых втулок и уменьшает нагарообразование на поршнях. Применение этого масла, а позднее масла М14ВЦ позволило существенно повысить качество эксплуатации большого парка дизелей Д100 и увеличить их надежность и моторесурс на тепловозах и теплоходах.

На флоте постоянно растет количество дизелей с высокой степенью форсировки наддувом (дизели М400, М401, Вяртсиля-Ваза 22 и др.), причем среднее эффективное давление достигает 1,76 МПа. Это ведет к росту температур и теплонапряженности деталей, что, наряду с применением сернистых и тяжелых топлив, существенно ухудшает условия работы масел. Растет интенсивность загрязнения масла сажей во время рабочего процесса, а также интенсивность окисления масла, особенно в верхней зоне поршневых колец, где резко возрастают температуры.

На рис. 8 показано влияние качества современных присадок к моторным маслам на работоспособность первого кольца.

Опыты были поставлены на форсированном дизеле 1ЧН 18/20 с целью определить время до закоксовывания первого кольца при работе на моторных маслах с различными присадками, повышающими термостабильность и другие качества масла. Из рисунка видно, что при работе на масле МК22 без присадок первое кольцо закоксовывается уже через 10 ч, что влечет за собой возможность перегрева и задира поршня. Применение масла даже группы В (ДС-11 + 5 % ВНИИНП-360) увеличивает время работы до закоксовывания первого кольца в 14 раз (до 140 ч). Как показали последние опыты, лучшие зарубежные и российские масла (М16В₂, М14Г₂ЦС, «Шелл Ротелла») увеличивают это время до 400-600 ч и более.

Любое масло при работе в дизеле подвергается загрязнению и окислению. Однако хорошая очистка масла фильтрацией и сепарированием, помимо удаления вредных примесей, обеспечивает появление в масле смолистых и других веществ, которые снижают коэффициент трения. Поэтому рациональный срок службы масел, особенно масел высших групп Г и Д, во многих дизелях может быть значительно увеличен.

На рис. 9 показаны результаты опытов с дизелем ДТ-54 при работе на масле группы Б (ДП-14 + 3 % ЦИАТИМ-339).

Износ контролировался путем определения содержания железа в масле при сроках смены масла за общий период эксплуатации 1 800 ч. Из рисунка видно, что при увеличении срока службы масла в 3 раза (со 120 до 360 ч) общая интенсивность изнашивания снизилась в 3-4 раза. Очевидно, узлы трения и рабочее тело – масло должны «приработаться», поэтому частые смены масла не способствуют снижению интенсивности изнашивания деталей. Высококачественные же масла групп В, Г и Д не только снижают износы и нагарообразования в дизелях, но и позволяют эксплуатировать масло без слива 2 000-3 000 ч (например, в течение всей навигации).

Преждевременная смена масла увеличивает его расход, чрезмерно длительная работа может повысить изнашивание дизеля. Для конкретного дизеля, сорта топлива и масла существует оптимальный срок службы масла, который следует определить по действительному состоянию масла на основе браковочных параметров, которыми служат:

• содержание воды в масле (до 0,5 %);
• содержание топлива в масле (до 3 %);
• содержание нерастворимых в бензине примесей (3-5 %);
• минимальная щелочность (для группы В – до 1 мг КОН/г масла).

Смена масла по браковочным параметрам наиболее рациональна. Отдельные двигатели с высоким расходом масла на угар могут работать, не достигая браковочных параметров, без смены масла в течение 2-3 тыс. ч.

Таким образом, правильный выбор масла и контроль качества в эксплуатации определяют его расход.

Влияние обводнения на состояние дизеля и масла. Источниками попадания воды в масло могут служить:

• транспортировка и хранение;
• наличие течи из системы охлаждения дизеля;
• остановка и охлаждение дизеля (конденсация паров);
• повышенная влажность воздуха.

Вода, особенно морская, оказывает сугубо отрицательное влияние на масло и, следовательно, на двигатель. При наличии значительного количества (более 2 %) воды характеристики большинства моторных масел (кроме масел с водостойкими присадками) значительно ухудшаются. При этом имеют место следующие явления:

1. Вода вступает во взаимодействие с компонентами присадки, которая теряет моющедиспергирующие свойства, вследствие чего увеличивается изнашивание и загрязнение дизеля.
2. Начинается процесс флокуляции загрязнений в крупные агрегаты (мицеллы), которые осаждаются в сверлениях коленчатого вала, дренажных отверстиях поршней, на фильтрах и т. д. Это создает дополнительное гидравлическое сопротивление в системе.
3. Наличие эмульгированной воды в масле, если в присадке нет антипенных компонентов, приводит к ценообразованию в картере.
4. При больших количествах, воды может быть нарушен гидродинамический режим смазки подшипников. Срыв масляной пленки в зонах обводнения ведет к возникновению сухого трения и к изнашиванию подшипников.

В табл. 13 приведены данные испытаний дизеля на обводненных маслах М10В₂ и М16В₂. На маловязком масле М10В₂ при обводнении 6-10 % взносы колец и втулки возрастают в 4,6 раза.

Содержание воды в масле является аварийным браковочным параметром. В современных масляных системах удаление воды из масла достигается сепараторами или фильтрами со специальными влагопоглощающими материалами, например ТПВФ. Автоматические приборы для контроля содержания воды в масле без остановки дизеля пока не созданы.

Регенерированные масла

Регенерация – это восстановление рабочих свойств какого-либо рабочего тела, например моторного масла. Как известно, моторное масло имеет определенный запас качества, который расходуется в процессе работы масла в ДВС под воздействием внутренних и внешних загрязнений, термического разложения, окисления, попадания топлива и воды.

Регенерация свойств моторных масел может осуществляться двумя способами:

• в циркуляционных системах смазки;
• и на специальных установках.

Как было показано выше, с помощью отстаивания, сепарации, фильтрации и других физико-химических методов можно в процессе работы двигателя частично удалять:

• воду,
• топливо,
• механические примеси,
• и, добавляя дозаторами присадку и т. д., восстанавливать первоначальные свойства масла.

Однако достичь полного восстановления свойств в этих условиях сложно, а иногда и невыгодно.

Второй путь – регенерация масел на специальных установках и заводах – известен давно, он получил интенсивное развитие в России и за рубежом. В условиях энергетического кризиса экономия нефтяных смазочных материалов сделала регенерацию масел высокоэкономичным и выгодным процессом. Мировое производство масел приближается к 30 млн. т в год, и если 1 % будет теряться при сливах и транспортировке, это значит, что 300 тыс. т масел будет загрязнять землю и воду.

За последние годы регенерация отработанных масел получила еще более широкое распространение. Во всех социалистических, а также наиболее развитых капиталистических странах применяются те или иные методы переработки отработанных масел. Эти методы можно разделить на:

• физические,
• физико-химические,
• и химические.

Основные технологические процессы указаны в табл. 14.

• Различный характер загрязнения;
• многообразие продуктов загрязнений;
• степень старения масла;
• сорт исходного масла;
• количество сырья подлежащего переработке, и т. д.

определяют метод переработки, который в ряде случаев является комбинированным, что позволяет более полно восстанавливать первоначальные свойства масел. Для масел, работающих непродолжительный срок в умеренном температурном режиме (50-60 °C), достаточна регенерация физическими методами отстаивания и фильтрации. Масла, претерпевающие глубокие физико- химические изменения:

• окисление,
• разложение,
• полимеризацию и загрязнение механическими примесями,

— должны быть подвергнуты сложным методам регенерации, включающим:

• отстаивание,
• фильтрацию,
• отгон горючего,
• обработку химическими реагентами и адсорбентами и т. д.

Регенерация масел широко применяется в США, где более 150 предприятий занимаются переработкой отработанных масел. Это объясняется, по-видимому, как энергетическим кризисом и повышением цен на нефтепродукты, так и исследованиями в области улучшения качества базового масла. На заводе фирмы «Моторс Ойл Рефайнинг Ко» применяют контактную очистку отработанных моторных масел с обработкой специальным химическим реагентом. После регенерации к маслу добавляют присадки. Полученное таким методом масло по качеству не уступает свежему. Регенерированные масла улучшенного качества получены фирмой «Эссо». Эта фирма применяет комбинирование способа вакуумной перегонки с гидродоочисткой дистиллятных компонентов. Этот способ обеспечивает получение высококачественных базовых масел.

В России применяется в основном контактная очистка отработанных моторных масел. Суммарная производительность установок составляет более 25 тыс. т в год. Отработанные нефтепродукты собираются в пять групп (табл. 15).

Отработанные масла приобретаются у потребителей по установленным ценам в зависимости от качества. Кроме того, выпускаются маслорегенерационные установки небольшой производительности, предназначенные для предприятий – потребителей масел, заинтересованных в организации своих маслорегенерационных хозяйств для получения дополнительного количества масел и экономии средств.

Читайте также: Топливная система судовой дизельной установки и процесс топливообработки

Исследования показывают, что состав углеводородной части отработанного масла близок к составу свежего. Основная трудность при регенерации заключается в удалении растворимой части присадки, которую невозможно удалить путем фильтрации. Эту присадку в принципе можно сохранить, но при этом необходимо производить регенерацию строго по сортам масел. Кроме того, накопление кислородных соединений ароматических фракций и смол значительно ухудшает термоокислительную стабильность масла. Удаление их сопряжено с большими трудностями, и только каталитическая гидродоочистка дает удовлетворительные результаты.

Основной проблемой регенерации является возможность применения регенерированных по той или иной технологии масел по прямому назначению. Если известно, что регенерированные трансформаторные масла могут быть использованы наравне со свежими, а индустриальные – для смазки менее ответственных механизмов, то применение регенерированных моторных масел в дизелях еще мало изучено.

Как отмечалось ранее, ухудшение качества моторного масла в процессе работы в двигателях обусловлено двумя факторами:

• изменением углеводородной основы масла в результате окисления;
• и термической деструкции;

и попаданием в систему смазки таких посторонних веществ, как:

• пыль;
• песок;
• продукты неполного сгорания топлива;
• металлические продукты изнашивания и вода.

Кроме того, в масло могут попадать высококипящие фракции топлива, вызывающие снижение температуры вспышки и разжижение масла.

Приведенные в табл. 16. характеристики отработанных масел АС-8 свидетельствуют об ухудшении качества масел в основном за счет наличия в них посторонних примесей, на что указывает содержание в образцах масел воды (0,6-14,0 %), топлива (t_всп = 122÷188 °C) и механических примесей (0,138-1,498 %). Содержание элементов присадок в отработанных маслах свидетельствует о значительном нереализованном запасе качества (за исключением образца 2), что подтверждается низким значением кислотных чисел (от 0 до 0,36 мг КОН/г) и наличием щелочной среды.

Отработанное масло, прошедшее очистку физическими методами коагуляции и отстаивания, в большей или меньшей степени приобретает показатели, близкие к показателям свежих товарных масел, за исключением более низкой температуры вспышки, свидетельствующей о наличии в маслах примеси топлива.

Последующие процессы регенерации:

• очистка отбеливающей землей;
• фильтрация;
• отгон горючего –

повышают качество масла за счет дополнительной очистки от механических примесей и удаления топлива (t_вс = 180÷202 °C).

По сравнению с товарным маслом регенерированные масла с присадками имеют повышенную коксуемость и зольность и пониженную температуру вспышки (на 2-13 °C). Содержание активных элементов присадки соответствует нормам на свежее товарное масло.

Вязкость регенерированных масел несколько выше вязкости товарного масла (особенно для образцов 4 и 5). Если учесть, что в регенерированных маслах содержится некоторое количество не удаленного в процессе регенерации топлива, снижающего температуру вспышки, то повышенное значение этой температуры можно объяснить наличием коллоидно-диспергированных примесей, присутствие которых невозможно обнаружить методикой, предусмотренной ГОСТ 6370-59. Метод центрифугирования дает более точные результаты.

Сырьем для получения масла М12Б(р) служат отработанные в дизелях моторные масла М12Б и М14Б. В табл. 17 приведены для наглядности показатели шести произвольно выбранных партий отработанных масел, подлежащих регенерации.

Как видно из приведенных данных, основные показатели отработанных масел вышли за пределы браковочных, и использование их по прямому назначению может не только вызвать снижение эксплуатационной надежности дизелей (повышение износов, нагаро- и лакоотложений, шламообразования и т. д.), но и привести к аварии из-за низкой температуры вспышки масла, вызванной наличием топлива в отработанных маслах.

Регенерированное масло М10В(р) было изготовлено из отработанного моторного масла М10В₂, слитого с двигателей судов. К моменту слива масло отработало 2,3-2,5 тыс. ч. В табл. 18 приведены основные физико-химические показатели отработанного масла. Видно, что по двум параметрам (содержание НРБ и воды) из трех контролируемых масло М10В2 вышло за пределы браковочных.

При испытаниях в регенерированное масло были введены те же присадки, что и в товарное масло, т. е. 8 % ВНИИНП-360 и 0,005 % ПМС-200А. Исследованиями группового состава отработанных масел установлено, что ароматические фракции, в отличие от фракций свежего масла, содержат кислородные группы, ухудшающие термоокислительную стабильность масла. В связи с этим была изменена композиция присадок, вводимых в масло: вместо присадки ВНИИНП-370 введена присадка ВНИИНП-360, что несколько улучшило антиокислительные и соответственно снизило нейтрализующие и моющие свойства регенерированного масла. Таким образом, регенерированное масло М10В(р) содержит 5 % ВНИИНП-360; 1,2 % ДФ-11; 2 % ПМС и 0,007 % ПМС-200А.

В табл. 19. приведены физико-химические характеристики масел М12Б(р) и М10В(р) в сравнении с товарными маслами соответствующих групп.

По рассматриваемым показателям регенерированные масла практически не уступают свежим товарным маслам. Несколько повышенная зольность регенерированных масел объясняется их недостаточной очисткой, а также наличием растворимой части присадки, сохранившейся при регенерации. Содержание нерастворимых примесей в регенерированных маслах в 1,8-2,6 раза больше, чем в товарных.

Сравнительная оценка способности моторных масел сохранять смазочный слой на рабочих поверхностях горячих деталей двигателя и их склонности образовать лаковые пленки производилась по ГОСТ 5737-53. Результаты опытов, представленные в табл. 20, показывают, что регенерированные масла содержат большее количество рабочей фракции, а их моторная испаряемость ниже. Масло М10В(р) по сравнению с товарным маслом образует в три раза меньше лаковых отложений.

Полученные результаты, по-видимому, объясняются тем, что в процессе работы в двигателе окислению и угару подвергается в первую очередь наименее стабильная к высокой температуре часть углеводородов масла; это приводит к изменению фракционного состава и повышению его термической стабильности. Извлечение при регенерации продуктов окисления, полимеризации и конденсации углеводородов улучшает качество масла за счет повышения относительного содержания рабочей фракции.

Коагуляция и отстаивание позволяют извлечь из отработанного масла воду и большинство механических примесей и тем самым повысить ряд показателей масла. Однако присутствие значительного количества топлива, снижающего температуру вспышки ниже предельно допустимой (170 °C), и низкая щелочность масла (или полное ее отсутствие) не допускают его применения в двигателях.

Показатели масел, прошедших все стадии регенерации, близки к показателям свежих товарных масел.

Проведены специальные испытания регенерированного моторного масла марки М12Б(р) в сравнении со свежим товарным маслом М12Б, а также смесей регенерированного и свежего масел.

Основные характеристики испытанных масел представлены в табл. 21.

Примечание. Механические примеси и вода во всех маслах отсутствуют.

Испытания включали следующие этапы:

• оценку моющих свойств на установке ПЗВ;
• оценку противоизносных свойств методом радиоактивных индикаторов на дизельном двигателе 1Ч 10,5/13;
• стендовые испытания на дизельном двигателе 2Ч 10,5/13.

Для сравнения проводили испытания также на маслах М12Б и М16В₂. Выбор масла М16В₂ определялся тем, что оно используется в качестве унифицированного на судовых двигателях речного флота.

Следует отметить, что физико-химические показатели у регенерированного масла М12Б(р) практически такие же, как у свежего масла М12Б. Как видно из табл. 21, зольность регенерированного масла с присадками несколько выше, чем зольность свежего масла, что может быть объяснено повышенной концентрацией присадки, содержащейся в регенерированном масле, за счет сохранившейся части ее после регенерации. Это подтверждается повышенной зольностью регенерированного масла до введения в него присадок.

Оценку моющих свойств масел производили на установке ПЗВ по ГОСТ 5726-53. Так как методика ПЗВ не учитывает нагар, образующийся на днище поршня и в канавках поршневых колец и влияющий на определение устойчивости масел к нагаро- и лакообразованию, а также не позволяет достаточно точно судить о моющих свойствах масел из-за ограниченного числа баллов эталонной шкалы, то моющие свойства оценивали также по методу ПЗВ-ВТ.

В результате сравнительной оценки было установлено, что по моющим свойствам регенерированные масла занимают промежуточное положение между свежими маслами М16В₂ и М12Б. Оценку противоизносных свойств с применением радиоактивных индикаторов проводили на дизеле 1Ч 10,5/13.

Результаты испытаний даны в табл. 22.

Моторные испытания масел проводились на дизеле 2Ч 10,5/13, который прошел 200-часовую обкатку. Перед началом испытаний и в конце каждого этапа двигатель частично разбирали. Износ поршневых колец определяли методом взвешивания их на аналитических весах. Для определения износов цилиндровых втулок в трех поясах и в восьми точках по окружности нарезали и измеряли лунки. Их нарезали в верхней, наиболее подверженной изнашиванию части втулки.

Расстояние от этих поясов до верхнего торца втулки составляло 22, 25 и 48 мм. Через определенные промежутки времени из системы смазки двигателя отбирали для анализа пробы работавшего масла. Результаты стендовых испытаний представлены в табл. 23, из которой видно, что противоизносные свойства регенерированных масел выше, чем у свежего.

Исходя из опыта применения регенерированных масел в России и за рубежом можно рекомендовать использовать их в судовых дизелях без наддува (p_e = 0,49÷0,68 МПа) при работе на дизельных топливах наравне со свежими маслами. Это даст дополнительную экономию в эксплуатационных расходах на судах.