Применение моторных масел в ДВС

С. В. Беляев







    ПРИМЕНЕНИЕ МОТОРНЫХ МАСЕЛ В ДВС


Учебник























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.431
ББК 31.353
     Б44


Рецензенты:
доктор технических наук (ПетрГУ) И. Г. Скобцев; кандидат технических наук (ПетрГУ) Г. Ю. Гольштейн




     Беляев, С. В.
Б44        Применение моторных масел в ДВС : учебник / С. В. Беляев. -
     Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 132 с. : ил., табл.
            ISBN 978-5-9729-1379-4

            Рассмотрены основы получения моторных масел, физико-химические и эксплуатационные свойства, классификация отечественных и зарубежных моторных масел, их взаимозаменяемость. Приведены рекомендации по рациональному применению моторных масел в двигателях внутреннего сгорания. Рассмотрены условия работы моторных масел в зоне цилиндропоршневой группы двигателей, процесс их старения и влияние на различные виды износа. Описаны требования к качеству и техника безопасности при транспортировке и хранении смазочных материалов.
            Для студентов-механиков. Может быть полезно научным и инженерно-техническим работникам автомобилестроения, специалистам и руководителям автотранспортного комплекса.

                                                                  УДК 621.431
                                                                  ББК 31.353
















ISBN 978-5-9729-1379-4

     © Беляев С. В., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ.......................................................5
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МОТОРНЫХ МАСЛАХ............................6
1.1. Назначение и требования к моторным маслам.................7
2. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА И СОСТАВ...............................10
2.1. Базовые масла минеральные................................10
2.2. Производство базовых минеральных масел...................11
2.3. Состав нефти и базового масла............................13
2.4. Совершенствование базовых масел..........................14
2.5. Методы очистки...........................................15
2.6. Вязкость базовых масел...................................17
2.7. Базовые масла синтетические..............................18
2.8. Способы получения........................................19
2.9. Совместимость синтетических масел с минеральными.........20
2.10. Свойства и виды синтетических масел.....................21
2.11. Сравнение свойств минеральных и синтетических масел.....24
2.12. Эксплуатационные свойства синтетических масел и их применение.27
2.13. Маркировка базовых масел................................29
3. ВЛИЯНИЕ МОТОРНЫХ МАСЕЛ НА ТРЕНИЕ И ИЗНОС ДВС...............31
3.1. Износ двигателя..........................................32
3.2. Виды износа ДВС..........................................35
4. УСЛОВИЯ РАБОТЫ МАСЕЛ В ЗОНЕ ЦПГ ДВИГАТЕЛЕЙ.................37
4.1. Виды отложений в двигателях..............................40
5. СВОЙСТВА МАСЕЛ.............................................44
5.1. Физико-химические свойства...............................44
5.2. Вязкостные и низкотемпературные свойства.................47
5.3. Противоизносные свойства.................................54
5.4. Противоокислительные и диспергирующие свойства...........57
5.5. Защитные и коррозионные свойства.........................63
6. ПРИСАДКИ К МОТОРНЫМ МАСЛАМ ................................67
6.1. Действие присадок........................................71
6.2. Вязкостные присадки......................................72
6.3. Присадки, улучшающие смазывающие свойства................74
6.4. Антикоррозионные присадки................................78
6.5. Антиокислительные присадки...............................79
6.6. Моющие присадки..........................................81
6.7. Дополнительные присадки..................................82

3

7. СТАРЕНИЕ МАСЛА В ДВИГАТЕЛЯХ................................83
7.1. Контроль качества и оценка старения масел................87
7.2. Расход моторных масел и пути его снижения................88
7.3. Рациональная периодичность замены масла..................91
7.4. Восстановление качества отработавших масел.....................92
7.5. Биологическое заражение смазочных масел, загрязненных топливом.99
8. КЛАССИФИКАЦИЯ МОТОРНЫХ МАСЕЛ..............................102
9. КАЧЕСТВО МОТОРНЫХ МАСЕЛ...................................112
9.1. Понятие о качестве......................................112
9.2. Развитие требований к качеству моторных масел...........112
9.3. Нормативные сопроводительные документы..................113
9.4. Система стандартов и нормативных документов по качеству.115
9.5. Система классификаций моторных масел и требования к качеству...117
10. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ
И ХРАНЕНИИ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ..............................120
11. ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ..................................124
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................127

4

ВВЕДЕНИЕ

     Двигатели внутреннего сгорания в настоящее время являются основными потребителями моторных масел. Сегодня к новой технике предъявляются жесткие, все возрастающие требования по повышению надежности, долговечности, а также снижению расхода топлива и смазочных материалов. Моторные масла, являясь эксплуатационными материалами, по своему влиянию на основные показатели работы техники равнозначны конструкционным материалам. Поэтому знание их состава, свойств, эксплуатационных характеристик необходимо специалистам, обслуживающим разнообразную технику. Моторные масла являются сложными композиционными продуктами, в состав которых входят многие компоненты и присадки. Неправильно выбранный смазочный материал усложняет эксплуатацию техники, сокращает ее ресурс и снижает надежность.
     В данном учебном пособии рассматриваются состав и свойства моторных масел, влияние их на работу двигателей внутреннего сгорания (ДВС), классификация, требования к качеству, а также техника безопасности при транспортировке и хранении смазочных материалов.

5

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МОТОРНЫХ МАСЛАХ


     Моторными маслами называют масла, применяемые в двигателях внутреннего сгорания, для их смазывания. Условия работы масел в двигателях внутреннего сгорания постоянно ужесточаются. Форсирование нагрузочных и скоростных режимов двигателей, уменьшение удельной емкости системы смазки приводят к росту температуры основных деталей и, как следствие, к интенсификации процессов окисления масел.
     Основное назначение системы смазки в двигателе автомобиля, где моторное масло является рабочим телом, осуществлять подвод масла к трущимся деталям двигателя для уменьшения трения и износа за счет создания на трущихся поверхностях масляной пленки. Для этого двигатели внутреннего сгорания имеют разветвленную систему циркуляционной смазки трущихся деталей.


Рисунок 1.1. Система смазки двигателя ВАЗ:
1 - распределительный вал; 2 - масляный канал распределительного вала
с ответвлениями для смазки опор, кулачков, толкателей; 3 - коленчатый вал;
4 - маслоприемник; 5 - редукционный клапан; 6 - масляный насос; 7 - масляный фильтр, внутри которого имеется противодренажный клапан, предотвращающий стекание масла из системы после остановки двигателя, и перепускной клапан, срабатывающий при засорении фильтра; 8 - магистральный канал

6

     Под давлением масло поступает почти во все подшипники скольжения двигателя. В некоторых двигателях под давлением смазываются направляющие толкателей, поршневые пальцы в подшипнике верхней головы шатуна, подшипники вала привода распределителя зажигания, вала привода водяного насоса и плунжерные пары насоса высокого давления. К остальным трущимся поверхностям (цилиндры, поршни, шестерни распределения и др.) масло поступает разбрызгиванием.
     От качества применяемого моторного масла зависит работа двигателя. Масло должно соответствовать конструкции смазочной системы двигателя, условиям эксплуатации, качеству применяемого топлива.
     В зависимости от назначения моторные масла подразделяют на масла для бензиновых, дизельных двигателей и универсальные, применяемые как в бензиновых, так и в дизельных двигателях. По климатическим условиям масла подразделяют на летние, зимние и всесезонные.
     Современные моторные масла - это базовые масла с добавлением присадок, улучшающих свойства основы масел или придающие маслу совершенно новые свойства. Базовые моторные масла подразделяют на минеральные (полученные из нефти), синтетические (получаемые в результате синтеза органических веществ) и полусинтетические (смесь минерального и синтетических компонентов).

           1.1. Назначение и требования к моторным маслам

     Основная функция, которую выполняют моторные масла - это снижение трения и износа трущихся деталей двигателя за счет создания на их поверхностях прочной масляной пленки. Одновременно моторные масла должны обеспечивать:
      -        уплотнение зазоров в сопряжениях работающего двигателя и, в первую очередь, деталей цилиндропоршневой группы;
      -        эффективный отвод тепла от трущихся деталей, удаление из зон трения продуктов износа и других посторонних веществ;
      -        надежную защиту рабочих поверхностей деталей двигателя от коррозионного воздействия продуктов окисления масла и сгорания топлива;
      -        предотвращение образования всех видов отложений (нагаров, лаков, зольных отложений, шламов) на деталях двигателя при его работе на различных режимах;
      -        высокую стабильность при окислении, механическом воздействии и обводнении, т. е. сохранение первоначальных свойств, как в многообразных условиях применения, так и при длительном хранении;

7

      -        нейтрализацию кислот, образующихся при сгорании топлива и окисление масла;
      -       малый расход масла при работе двигателя;
      -        большой срок службы масла до замены без ущерба для надежности двигателя.
     Выполнение указанных функций моторными маслами возможно только в том случае, если их качество будет удовлетворять ряду эксплуатационных требований:
      -        обладать оптимальными вязкостными свойствами, предопределяющими надежную и экономичную работу агрегатов на всех эксплуатационных режимах;
      -        иметь хорошую смазывающую способность, чтобы предотвращать интенсивное изнашивание трущихся деталей;
      -        обладать достаточной химической стойкостью, обеспечивающей минимальное изменение свойств смазочного материала в процессе применения;
      -        иметь высокую моющую, диспергирующе-стабилизирующую способность, обеспечивающую чистоту деталей двигателя;
      -        обладать высокой термической и термоокислительной стабильностью, что позволяет повысить предельную температуру нагрева масла в картере, увеличить срок замены;
      -       иметь высокие противозадирные свойства;
      -        обладать устойчивостью к процессам испарения, вспенивания и образования эмульсий, а также к выпадению присадок;
      -        надежно защищать трущиеся поверхности и другие металлические детали от коррозионного воздействия, как во время работы, так и при хранении автомобилей;
      -       быть совместимыми с материалами уплотнения;
      -       малой летучестью, низким расходом на угар.
     Свойства смазочного масла определяются по основным характеристикам качества и по явлениям, происходящим в масле при эксплуатации. На этом основании свойства делятся на следующие группы:
      -       физические и химические свойства;
      -       вязкостные свойства;
      -       смазывающие свойства;
      -       противоокислительные свойства;
      -       моющие свойства;
      -       антикоррозионные свойства;

8

      -        показатели состава;
      -        свойства, характеризующие безопасность обращения, хранения и транспортировки (противопожарные и др.).
     Определяемые характеристики свойств должны быть наиболее близкими к реальным, проявляющимся в условиях эксплуатации. Для этой цели применяется несколько методов испытаний:
      -        лабораторные методы химического и физико-химического анализа (glaswaretests); они проводятся в условиях стационарных и мобильных лабораторий по стандартным методикам и позволяют оценивать свойства смазочных материалов при производстве, применении и контроле качества;
      -        стендовые лабораторные испытания проводятся на специальных приборах и оборудовании, имитирующих условия работы агрегатов; эти методы предназначены для непосредственной оценки одного или нескольких эксплуатационных свойств продукта; испытания проводятся по стандартным методикам и позволяют гораздо быстрее и экономичнее, чем при эксплуатационных испытаниях, оценить реальные свойства продукта; их используют для контроля и при классификации по уровням качества;
      -        стендовые моторные испытания проводятся на действующих (полноразмерных) агрегатах (двигатель, коробка передач и другие агрегаты), установленных в лабораториях и оснащенных целым комплексом измерительных приборах.

9

2. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА И СОСТАВ

     Выбор оптимального смазочного материала в условиях современного рынка осложняется обилием ассортимента и наличием нескольких систем классификации и маркировки (API, АСЕА, ССМС, ILS AC, SAE, ГОСТ). Затруднения возникают также и в результате применения разнообразной терминологии при описании состава и свойств смазочных материалов.
     Смазочные материалы - это вязкие жидкости или пасты, предназначенные для снижения трения и износа трущихся поверхностей. В большинстве случаев это масла, получаемые переработкой нефти (минеральные масла), путем синтеза (синтетические масла), или густые пластичные смазки.
     Обычно масло выполняет не одну, а несколько функций одновременно. Например, моторное масло не только смазывает, но также охлаждает и очищает детали двигателя, в каждом случае масло должно обладать комплексом свойств, оптимально соответствующих конкретному назначению.
     Масла для транспортных средств подразделяются на:
      -  автомобильные (автотранспортные);
      -  авиационные;
      -  судовые или морские;
      -  тепловозные и др.
     Такая классификация удобна тем, что определяет круг потребителей, для которых ассортимент масел является специфическим. Однако некоторые масла применяются в нескольких группах, многие свойства определяются одинаковыми методами и выражаются через одни и те же показатели.
     Смазочные материалы, как и другие современные промышленные материалы, состоят из основного, базового материала, в данном случае - базового масла и активных добавок - присадок, улучшающих его функциональные свойства.

2.1. Базовые масла минеральные

     Основы производства базовых масел
     Желательно для каждого конкретного случая применения иметь масло с оптимальными эксплуатационными свойствами. Это обуславливает большой ассортимент масел. Производство большого количества разновидностей масел технически и экономически нецелесообразно. Во избежание этого, нефтеперерабатывающая промышленность выпускает ограниченное количество базовых масел, которые смешиваются между собой и с присадками на маслосмеситель

10

ных заводах для получения товарных масел с необходимыми эксплуатационными свойствами. Производство товарных масел состоит из двух стадий - производства базовых масел и смешения компонентов (компаундирования).
     Базовые минеральные масла производятся нефтеперерабатывающими заводами, чаще всего принадлежащими крупным нефтекомпаниям, так как для управления производством и его совершенствования требуются большие финансовые ресурсы и научный потенциал.
     Базовые масла различаются между собой вязкостью, химическим составом и некоторыми другими свойствами. Базовое масло - это основа товарного масла, готовая к смешению, но еще без присадок. Сырьем для смазочных масел могут быть минеральные и синтетические базовые масла. Химический состав минеральных масел зависит от нефти, из которой произведено масло. Химический состав синтетических масел зависит от исходного сырья (мономеров) и метода синтеза.
     Качество товарного масла зависит от фракционного состава, способа получения базового масла, глубины химического превращения и очистки.
     Компаундирование масел является относительно несложным технологическим процессом и может быть осуществлено на сравнительно небольших маслосмесительных заводах. Они покупают базовые масла и присадки, смешивают их, расфасовывают и поставляют масла на рынок под своим фирменным названием.
     Каждая крупная нефтекомпания старается создать процессы производства, очистки и модификации базовых масел и подбор компонентов товарных масел, которые были бы не только оригинальными, но и наиболее эффективными в экономическом плане и обеспечивали бы наилучшее качество.

2.2. Производство базовых минеральных масел

     Общая схема производства базовых минеральных масел (рисунок 2.1):
      -        атмосферная перегонка, при которой отделяются легкокипящие фракции (светлые продукты) и атмосферный остаток или мазут, который служит сырьем для вакуумной перегонки при производстве масел;
      -        вакуумная перегонка атмосферного остатка (мазута) осуществляется при более низкой температуре в вакууме, что позволяет перегонять вязкие продукты; получаемые фракции масел - вакуумные дистилляты с разной вязкостью и вакуумный остаток, из которых получают высоковязкие базовые масла;


11

      -         очистка фракций вакуумной перегонки методом экстракции, при помощи которой растворителями отделяются нежелательные соединения;
      -        депарафинизация фракций, при которой отделяются парафины;
      -         другие технологические процессы улучшения качества базовых масел: гидрирование, каталитический гидрокрекинг, очистка отбеливающей глиной или кристаллическим алюмосиликатом (например, цеолитом) и др.
     Основные фракции вакуумной перегонки атмосферного остатка (мазута):
      -        легкое вакуумное масло (температура кипения 300-400 °C);
      -        тяжелое вакуумное масло (температура кипения 350-420 °C);
      -        остаточное масло (температура кипения 420-490 °C).

Атмосферная дистилляция

Газы
Бензин
Керосин
Дизельное топливо
Тяжелый газ
Атмосферный остаток

БАЗОВЫЕ МАСЛА

SAE 5W

SAE 10W

SAE 30

SAE 50 (90)

Вакуумный остаток

SAE 250
Brightstock

Примерные вязкости

деасфальтизация

                               Битумы


Рисунок 2.1. Схема производства минеральных базовых масел

12