Виктор Балабанов - Автомобильные присадки и добавки
Известно, что в момент пуска трущиеся детали двигателя подвергаются значительному износу. Имеется термин — пусковой износ. При одном только пуске ДВС длительностью несколько секунд износ значительно больше, чем при работе двигателя на установившемся режиме в течение нескольких часов. Пусковой износ зависит от вязкости масла — малая вязкость обеспечивает более низкий пусковой износ вследствие лучшего поступления масла к узлам трения.
Изнашивание — процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении, проявляющейся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.
В установившемся режиме, наоборот, лучше работают более вязкие масла.
Для уменьшения трения и изнашивания различных узлов и деталей двигателя масла должны обладать такими вязкостно-температурными свойствами, которые бы обеспечивали и быстрый пуск двигателей, и надежную работу в последующий период.
Для повышения вязкости смазочных масел и индекса вязкости при нагреве в них добавляют вязкостные (загущающие) присадки («модификаторы вязкости»). Такие масла называют загущенными. Загущающие присадки в сочетании с присадками, улучшающими трибологические свойства моторных масел, позволяют создавать энергосберегающие масла.
В то же время масла с загущающими присадками постепенно теряют свою вязкость (загустевают). Это не только результат испарения самых низкокипящих фракций, так как температура в картере двигателя может достигать 180 °C, но и механической, а также термохимической деструкции (окисления) полимерных молекул загущающих присадок на мелкие фрагменты, эффективность которых значительно снижается.
В отличие от незагущенных масел, вязкость которых зависит в основном от температуры смазочного материала и рабочего давления, загущенные масла обладают еще способностью изменять свою вязкость в зависимости от напряжения и градиента скорости сдвига. Они проявляют временное падение вязкости с увеличением скорости сдвига, например, между поршнем и стенками цилиндра двигателя. Такие вещества (резиновый клей, густотертая краска, битум и др.) называют «разжижаемые сдвигом», а их вязкость называют кажущейся, так как она снижается при определенном градиенте скорости сдвига, и тем больше, чем ниже температура базового масла.
Загущающие присадки на основе полиметакрилатов ПМА В-1, ПМА В-2, «Дизакрил» представляют собой масляные растворы эфиров метакрилатовой кислоты и масел синтетических жирных спиртов. При низкой температуре, когда масло достаточно вязкое, молекулы полиметакрилатов находятся в скрученном состоянии и мало влияют на вязкость. С ростом температуры они расправляются и повышают вязкость (рис. 5). Полимеры компенсируют значительную потерю вязкости самого масла при повышении температуры, таким образом, индекс вязкости масла повышается.
Рис. 5. Молекула полиметакрилата (вязкостной присадки) при различной температуре масла
Поэтому загущенные масла наряду с высоким индексом вязкости, обеспечивающим минимальные потери мощности на трение и экономию топлива при нагреве, обладают хорошей текучестью при низких температурах, способствуют легкому и быстрому пуску двигателя в холодное время года, не образуют большого количества нагара.
Чтобы выдерживать большие сдвиговые и нормальные нагрузки, смазочные материалы должны иметь высокую несущую способность. Для обеспечения этих свойств в моторные масла (для снижения износа пар трения кулачок — толкатель), в трансмиссионные масла (особенно для гипоидных передач, имеющих конические шестерни со спиральными зубьями), в гидравлические жидкости и смазочно — охлаждающие среды добавляют противозадирные присадки .
Вязкостные свойства масел в нормальных условиях эксплуатации не отражают их характеристик при высоких нагрузках и скоростях скольжения, когда толщина смазочного слоя не обеспечивает надежное разделение трущихся поверхностей и не предохраняет от непосредственного контакта микрошероховатостей. В этом случае наблюдается режим граничной смазки, происходит контакт микровыступов шероховатостей металлических поверхностей, резкий нагрев (температурные «вспышки») контактируемых участков (до 1500 °C), их сваривание и последующеe разрушение (скалывание).
Граничная смазка — смазка двух трущихся поверхностей без создания непрерывной смазочной пленки. Она имеет место при высоких нагрузках и требует использования противоизносных или противозадирных присадок для предотвращения непосредственного контакта металлов.
За счет выделяющейся в зоне контакта энергии противозадирные присадки вступают во взаимодействие с поверхностями трения, образуя защитные соединения с металлами. При нормальных режимах эксплуатации они находятся на поверхностях трения в виде твердых веществ, но при высоких температурах их предел текучести снижается и происходит скольжение металлических поверхностей относительно друг друга. Тем самым предотвращается сваривание микровыступров трущихся поверхностей и, следовательно, повышение интенсивности их изнашивания. При этом вязкость масла во многом определяет прочность масляной пленки.
Фосфор, сера и хлор — основные элементы многих противозадирных присадок, которые вступают в реакции с металлами в условиях повышенной температуры и давления с образованием на поверхностях защитных пленок химических соединений. Эти присадки оказывают противозадирное, антикоррозионное и антиокислительное действие и поэтому особенно широко применяются в моторных маслах. На их основе выпускаются ремонтно — восстановительные препараты любительской автохимии, получившие название кондиционеры металла, которые будут рассмотрены в дальнейшем.
Затраты на производство смазочных масел возрастают пропорционально обеспечению для них низкотемпературных свойств. Поэтому проводится депарафинизация масел, но лишь частично — до температуры застывания (около -15 °C). При отрицательных температурах из смазочного масла выделяются парафиновые углеводороды в виде игл и пластин, что приводит к потере текучести (подвижности) масла и затрудняет низкотемпературный запуск двигателя. Форма и размер образовавшихся кристаллов парафина зависят от вида масла и его фракционного состава. При этом из маловязких масел выделяются крупные кристаллы, а из высоковязких образуются микрокристаллические парафины. Наличие в масле парафиновых углеводородов обусловливает в первую очередь застывание масла. Подвижность масла теряется из‑за образования кристаллической структуры парафиновых углеводородов.
Для дальнейшего снижения температуры застывания и работоспособности масла предназначены депрессорные присадки, которые модифицируют кристаллические структуры твердых углеводородов с сохранением подвижности масла.
Наиболее распространены депрессорные присадки к моторным, трансмиссионным и гидравлическим маслам: марки АзНИИ (препарат алкилирования нафталина хлорированным парафином в присутствии хлорида алюминия); АзНИИ — ЦИАТИМ-1 (дисульфид алкилфенола с гидроксидом бария); АФК (алкилфенол с гидроксидом кальция); ПМА Д (30…40 %-ный раствор полимеров эфиров метакриловой кислоты и синтетических жирных первичных спиртов в индустриальном масле), а также Депрессал — модифицированный препарат алкилирования фенола хлорпарафинами.
Депрессорные присадки применяются при концентрациях 0,05…1,0 %, они наиболее эффективны в маслах парафинового основания.
Применение в качестве базовых масел высокоочищенных нефтяных основ — масел, полученных гидрогенизационными способами, а также ряда синтетических разработок, позволяет значительно улучшить низкотемпературные свойства выпускаемых масел (уверенный запуск двигателей при температурах —40…50 °C) и уменьшить потери на трение при гидродинамическом режиме смазывания. Однако такие масла имеют более низкие антифрикционные и противоизносные свойства.
Для повышения трибологических свойств (минимизации потерь на трение, снижения интенсивности изнашивания и температуры трущихся поверхностей) смазочных материалов в них, кроме противозадирных, вводят также антифрикционные и противоизносные присадки. Эффективность их действия зависит от химического строения присадки и химического состава масляной основы.
Антифрикционные присадки (модификаторы трения) входят в состав энергосберегающих моторных масел. Они обеспечивают гарантированную экономию топлива за счет снижения механических потерь на трение и соответствующего повышения коэффициента полезного действия двигателя. Такие присадки образуют на поверхностях трения многослойные адсорбционно — хемосорбционные пленки «сэндвичевой структуры» с диффузией легирующих металлов присадки в трущиеся поверхности деталей. Они наиболее эффективны при граничном режиме трения, например, между компрессионными поршневыми кольцами и цилиндрами вблизи верхних мертвых точек. Достоинством твердых нерастворимых добавок к смазочным материалам является также их эффективность, как при низких, так и при высоких температурах.
