Моюще-диспергирующие свойства
характеризуют способность масла обеспечивать необходимую чистоту деталей двигателя, поддерживать продукты окисления и загрязнения во взвешенном состоянии. Чем выше моюще-диспергирующие свойства масла, тем больше нерастворимых веществ — продуктов старения может удерживаться в работающем масле без выпадения в осадок, тем меньше лакообразных отложений и нагаров образуется на горячих деталях, тем выше может быть допустимая температура деталей (степень форсирования двигателя). Кроме концентрации моюще-диспергирующих присадок на чистоту двигателя существенно влияет эффективность используемых присадок, их правильное сочетание с другими компонентами композиции, а также приемистость базового масла. В композициях моторных масел в качестве моющих присадок используют сульфонаты, алкилфеноляты, алкилсалицилаты и фосфонаты кальция или магния и реже (по экологическим соображениям) бария, а также рациональные сочетания этих зольных присадок друг с другом и с беззольными дисперсантами-присадками, снижающими, главным образом, склонность масла к образованию низкотемпературных отложений и скорость загрязнения фильтров тонкой очистки масла. Модифицированные термостойкие беззольные дисперсанты способствуют и уменьшению лако- и нагарообразования на поршнях.Антиокислительные свойства в
значительной степени определяют стойкость
масла к старению. Условия работы моторных
масел в двигателях настолько жестки, что
предотвратить их окисление полностью не
представляется возможным. Соответствующей
очисткой базовых масел от нежелательных
соединений, присутствующих в сырье,
использованием синтетических базовых
компонентов, а также введением эффективных
антиокислительных присадок можно
значительно затормозить процессы
окисления масла, которые приводят к росту
его вязкости и коррозионности, склонности к
образованию отложений, загрязнению
масляных фильтров и другим неблагоприятным
последствиям (затруднение холодного пуска,
ухудшение прокачиваемости масла).
Окисление масла в двигателе наиболее
интенсивно происходит в тонких пленках
масла на поверхностях деталей,
нагревающихся до высокой температуры и
соприкасающихся с горячими газами (поршень,
цилиндр, поршневые кольца, направляющие и
стебли клапанов). В объеме масло окисляется
менее интенсивно, так как в поддоне картера,
радиаторе, маслопроводах температура ниже
и поверхность контакта масла с окисляющей
газовой средой меньше. Во внутренних
полостях двигателя, заполненных масляным
туманом, окисление более интенсивно.
На скорость и глубину окислительных
процессов значительно влияют попадающие в
масло продукты неполного сгорания топлива.
Они проникают в масло вместе с газами,
прорывающимися из надпоршневого
пространства в картер. Ускоряют окисление
масла частицы металлов и загрязнений
неорганического происхождения, которые
накапливаются в масле в результате
изнашивания деталей двигателя,
недостаточной очистки всасываемого
воздуха, нейтрализации присадками
неорганических кислот, а также
металлорганические соединения меди, железа
и других металлов, образующиеся в
результате коррозии деталей двигателя или
взаимодействия частиц изношенного металла
с органическими кислотами. Все эти вещества
— катализаторы окисления.
Стойкость моторных масел к окислению
повышают введением в их состав
антиокислительных присадок. Наилучший
антиокислительный эффект достигается при
введении в масло присадок, обладающих
различным механизмом действия. В качестве
антиокислительных присадок к моторным
маслам применяют диалкил- и
диарилдитиофосфаты цинка, которые улучшают
также антикоррозионные и противоизносные
свойства. Их часто комбинируют друг с
другом и с беззольными антиокислителями. К
числу последних относят пространственно
затрудненные фенолы, ароматические амины,
беззольные дитиофосфаты и др. Довольно
энергичными антиокислителями являются
некоторые моюще-диспергирующие присадки, в
частности алкилсалицилатные и
алкилфенольные.
При длительной работе масла в двигателе
интенсивный рост вязкости, обусловленный
окислением, начинается после практически
полного истощения антиокислительных
присадок. В стандартах и технических
условиях на моторные масла их стойкость к
окислению косвенно характеризуется
индукционным периодом осадкообразования (окисление
по методу ГОСТ 11063–77 при 200 °С). При моторных
испытаниях антиокислительные свойства
масел оценивают по увеличению их вязкости
за время работы в двигателе установки ИКМ (ГОСТ
20457–75) или Petter W-1.
Противоизносные свойства моторного
масла зависят от химического состава и
полярности базового масла, состава
композиции присадок и вязкостно-температурной
характеристики масла с присадками, которая
в основном предопределяет температурные
пределы его применимости (защита деталей от
износа при пуске двигателя, при
максимальных нагрузках и температурах
окружающей среды). Особенно важны
эффективная вязкость масла при температуре
130–180 °С и градиенте скорости сдвига 105–107 с-1,
зависимость вязкости от давления, свойства
граничных слоев и способность химически
модифицировать поверхностные слои
сопряженных трущихся деталей.
При работе на топливах с повышенным или
высоким содержанием серы, а также в
условиях, способствующих образованию
азотной кислоты из продуктов сгорания (газовые
двигатели, дизели с высоким наддувом), важнейшей
характеристикой способности масла
предотвращать коррозионный износ
поршневых колец и цилиндров является его
нейтрализующая способность, показателем
которой в нормативной документации служит
щелочное число. Различные узлы и детали
двигателей (за исключением крейц-копфных
дизелей, имеющих две автономные смазочные
системы) смазываются обычно одним маслом, а
условия трения, изнашивания и режим смазки
существенно различны. Подшипники
коленчатого вала, поршневые кольца в
сопряжении с цилиндром работают
преимущественно в условиях
гидродинамической смазки. Зубчатые колеса
привода агрегатов, масляных насосов и
детали механизма привода клапанов работают
в условиях эластогидродинамической смазки.
Вблизи мертвых точек жидкостное трение
поршневых колец по стенке цилиндра
переходит в граничное.
Множественность факторов, влияющих на
износ деталей двигателей, принципиальные
различия режимов трения и изнашивания
узлов затрудняют оптимизацию
противоизносных свойств моторных масел.
Придание маслу достаточной нейтрализующей
способности и введение в его состав
дитиофосфатов цинка часто оказывается
достаточным для предотвращения
коррозионно-механического изнашивания и
модифицирования поверхностей деталей
тяжело нагруженных сопряжений во избежание
задиров или усталостного выкрашивания.
Однако тенденция к применению маловязких
масел для достижения экономии топлива и
ограничение поступления масла к верхней
части цилиндра для уменьшения расхода на
угар требуют улучшения противоизносных
свойств масел при граничной смазке. Это
достигается введением специальных
противоизносных присадок, содержащих серу,
фосфор, галогены, бор, а также введением
беззольных дисперсантов, содержащих
противоизносные фрагменты.
Большое влияние на износ оказывает наличие
в масле абразивных загрязнений. Их наличие
в свежем масле не допускается, а масло,
работающее в двигателе, должно
подвергаться очистке в фильтрах,
центрифугах, сепараторах. Уменьшению
вредного действия абразивных частиц
способствуют высокие диспергирующие
свойства масла.
Трибологические характеристики,
определяемые на четырехшариковой машине
трения (ЧШМ) по ГОСТ 9490–75, нормированы
стандартами и техническими условиями на
многие моторные масла для контроля
процесса производства. Однако
непосредственную связь между оценкой
противоизносных и противозадирных свойств
на машине трения и фактическими
противоизносными свойствами моторных
масел в реальных условиях применения
установить не всегда возможно. При моторных
испытаниях противоизносные свойства масел
оценивают по потере массы поршневых колец,
задиру или питтингу кулачков и толкателей,
линейному износу этих деталей и цилиндров,
состоянию поверхностей трения.
Антикоррозионные свойства
моторных масел зависят от состава базовых
компонентов, концентрации и эффективности
антикоррозионных, антиокислительных
присадок и деактиваторов металлов. В
процессе старения коррозионность моторных
масел возрастает. Более склонны к
увеличению коррозионности масла из
малосернистых нефтей с высоким содержанием
парафиновых углеводородов, образующих в
процессах окисления агрессивные
органические кислоты, которые
взаимодействуют с цветными металлами и их
сплавами.
Антикоррозионные присадки защищают
антифрикционные материалы (свинцовистую
бронзу), образуя на их поверхности прочную
защитную пленку. Антиокислители
препятствуют образованию агрессивных
кислот. Иногда необходимо вводить в
моторные масла присадки-деактиваторы,
образующие хелатные соединения с медью,
предохраняющие поверхность от
коррозионного разрушения.
Антикоррозионные присадки типа
дитиофосфатов цинка, применяемые в
большинстве моторных масел, не защищают от
коррозии сплавы на основе серебра и
фосфористые бронзы, а при высокой
температуре активно способствуют их
коррозии. В двигателях, в которых
используют такие антифрикционные
материалы, необходимо использовать
специальные масла, не содержащие
дитиофосфатов цинка.
В лабораторных условиях антикоррозионные
свойства моторных масел оценивают по
методу ГОСТ 20502–75 по потере массы свинцовых
пластин за 10 или 25 ч испытания при
температуре 140 °С. При моторных испытаниях
антикоррозионные свойства масел оценивают
по потере массы вкладышей шатунных
подшипников полноразмерных двигателей или
одноцилиндровых установок ИКМ или Petter W-1, а
также по состоянию их поверхностей трения (цвет,
натиры, следы коррозии).
Вязкостно-температурные
свойства — одна из важнейших
характеристик моторного масла. От этих
свойств зависит диапазон температуры
окружающей среды, в котором данное масло
обеспечивает пуск двигателя без
предварительного подогрева,
беспрепятственное прокачивание масла
насосом по смазочной системе, надежное
смазывание и охлаждение деталей двигателя
при наибольших допустимых нагрузках и
температуре окружающей среды. Даже в
умеренных климатических условиях диапазон
изменения температуры масла от холодного
пуска зимой до максимального прогрева в
подшипниках коленчатого вала или в зоне
поршневых колец составляет до 180–190 °С.
Вязкость минеральных масел в интервале
температур от -30 до +150 °С изменяется в
тысячи раз. Летние масла, имеющие
достаточную вязкость при высокой
температуре, обеспечивают пуск двигателя
при температуре окружающей среды около 0 °С.
Зимние масла, обеспечивающие холодный пуск
при отрицательных температурах, имеют
недостаточную вязкость при высокой
температуре. Таким образом, сезонные масла
независимо от их наработки (пробега
автомобиля) необходимо менять дважды в год.
Это усложняет и удорожает эксплуатацию
двигателей. Проблема решена созданием
всесезонных масел, загущенных полимерными
присадками (полиметакрилаты, сополимеры
олефинов, полиизобутилены, гидрированные
сополимеры стирола с диенами и др.).
Вязкостно-температурные свойства
загущенных масел таковы, что при
отрицательных температурах они подобны
зимним, а в области высоких температур —
летним. Вязкостные присадки относительно
мало повышают вязкость базового масла при
низкой температуре, но значительно
увеличивают ее при высокой температуре, что
обусловлено увеличением объема
макрополимерных молекул с повышением
температуры и рядом иных эффектов.
В отличие от сезонных, загущенные всезонные
масла изменяют вязкость под влиянием не
только температуры, но и скорости сдвига,
причем это изменение временное. С
уменьшением скорости относительного
перемещения смазываемых деталей вязкость
возрастает, а с увеличением — снижается.
Этот эффект больше проявляется при низкой
температуре, но сохраняется и при высокой,
что имеет два позитивных последствия:
снижение вязкости в начале проворачивания
холодного двигателя стартером облегчает
пуск, а небольшое снижение вязкости масла в
зазорах между поверхностями трения деталей
прогретого двигателя уменьшает потери
энергии на трение и дает экономию топлива.
Характеристиками вязкостно-температурных
свойств служат кинематическая вязкость, определяемая
в капиллярных вискозиметрах, и
динамическая вязкость, измеряемая при
различных градиентах скорости сдвига в
ротационных вискозиметрах, а также индекс
вязкости — безразмерный показатель
пологости вязкостно-температурной
зависимости, рассчитываемый по значениям
кинематической вязкости масла, измеренной
при 40 и 100 °С (ГОСТ 25371–82). В нормативной
документации на зимние масла иногда
нормируют кинематическую вязкость при
низких температурах. Индекс вязкости
минеральных масел без вязкостных присадок
составляет 85–100. Он зависит от
углеводородного состава и глубины очистки
масляных фракций. Углубление очистки
повышает индекс вязкости, но снижает выход
рафината.
Синтетические базовые компоненты имеют
индекс вязкости 120–150, что дает возможность
получать на их основе всесезонные масла с
очень широким температурным диапазоном
работоспособности.
К низкотемпературным характеристикам
масел относят температуру застывания, при
которой масло не течет под действием силы
тяжести, т.е. теряет текучесть. Она должна
быть на 5–7 °С ниже той температуры, при
которой масло должно обеспечивать
прокачиваемость. В большинстве случаев
застывание моторных масел обусловлено
образованием в объеме охлаждаемого масла
кристаллов парафинов. Требуемая
нормативной документацией температура
застывания достигается депарафинизацией
базовых компонентов и/или введением в
состав моторного масла депрессорных
присадок (полиметакрилаты, алкилнафталины
и др.).