Устойчивость масел к действию температуры
При нормальных условиях минеральные масла длительное время практически не окисляются. Однако уже начиная с 50—60°С кислород взаимодействует с углеводородами масла, а при температуре 130—150°С процесс окисления протекает весьма энергично. При дальнейшем нагревании до 150 до 250° С окисление масла ускоряется примерно в тысячу раз.
Особенно заметно окисление проявляется при работе моторных масел в двигателях, где температурные условия тяжелы. Причем, в различных зонах двигателя процесс протекает неодинаково. На поршнях, кольцах, цилиндрах масло окисляется при высокой температуре в тонком слое (пленке) с большой скоростью. В маслопроводах, картере, масляном радиаторе процессы идут при сравнительно невысокой температуре. Внутри двигателя (поршень, поршневой палец) масло находится в виде тумана. Здесь особенно велика поверхность взаимодействия с кислородом. Несмотря на то что в цилиндро-поршневую группу одновременно попадает не так уж много масла, и оно все время меняется, основные изменения вызваны процессами, происходящими именно здесь. В высокотемпературных зонах двигателя кроме окисления под действием высокой температуры могут разрушаться углеводороды.
В результате окисления и термического распада в маслах образуются новые соединения, которых раньше не было: кислоты, смолы, асфальтовые вещества, а также коксоподобные соединения. Меняется не только внешний вид масла — оно темнеет, но и его физико-химические свойства: из-за попадания в них продуктов, имеющих высокую молекулярную массу, увеличивается вязкость, выпадают осадки, являющиеся основной причиной образования лаков и нагаров на поршнях и кольцах, отложений в картере. Основная часть масла окисляется в пленке, причем процесс сопровождается сильным испарением, а на поверхности металла образуются прочные лаковые отложения. Во многих трущихся деталях, где постоянно работает одно и то же масло, вначале окисляются его наименее стойкие соединения. Их постепенно становится все меньше, и процесс замедляется. В двигателях внутреннего сгорания процесс окисления сложнее, так как вместо угорающего доливают свежее масло.
В стандартах склонность моторных масел к окислению при высокой температуре и образованию отложений оценивают термоокислительной стабильностью. Чем она выше, тем лучше качество смазочного материала.
При эксплуатации техники накапливающиеся продукты окисления являются основной причиной образования нагаров, лаков, а также повышения коррозионного износа деталей. Поэтому возникает необходимость в создании масел более устойчивых к действию температуры, что достигается путем введения антиокислительных присадок, замедляющих процессы окисления.
В практике эксплуатации автомобилей иногда происходят непонятные на первый взгляд случаи. Один двигатель работает тысячи часов, и необходимость в его ремонте не возникает. Другой используется в таких же условиях, но на ином масле, и уже через несколько десятков часов работы выходит из строя: падает его мощность, из выхлопной трубы появляется густой дым, сильно угорает масло. После разборки оказывается, что одно или несколько колец залегли, потеряли подвижность, Связано это с одной из важнейших характеристик моторных масел — их моющими свойствами.
В начале процесса окисления образуются соединения находящиеся в масле в растворенном состоянии (смолы, кислоты). В дальнейшем они переходят в нерастворимые вещества (частицы размером до 1 мкм). Пока эти частицы малы, они не наносят особого вреда двигателю, так как циркулируют вместе с маслом. Но при дальнейшей работе масла и его окислении частицы слипаются, укрупняются, оседают на горячих деталях цилиндро-поршневой группы, участвуют в образовании лаков, нагаров.
Способность масла обеспечивать необходимую чистоту деталей двигателей, поддерживая продукты окисления и загрязнения во взвешенном состоянии, называют моющими свойствами. У всех моторных масел без присадок они примерно одинаковы и недостаточны. Современные двигатели с высокой температурой деталей не могут работать на таком масле: они быстро выходят из строя вследствие загрязненности цилиндро-поршневой группы, поэтому в масла добавляют моющие присадки. Моющим действием, обладают самые разнообразные соединения, объединенные одним общим свойством: их молекулы электрозаряжены (полярно активны).
Нагар образуется при слипании крупных частиц продуктов окисления масла с лаковыми пленками. Присадки, обладающие моющим действием, препятствуют укрупнению продуктов окисления. Молекулы присадки окружают частицы, образуя на их поверхности одноименные заряды, которые отталкиваются друг от друга, в результате частицы не слипаются. В дальнейшем они задерживаются фильтрующими устройствами двигателя. Если в масле уже были крупные частицы, то полярно-активные соединения способны проникнуть внутрь и разрушить их.
Эффективные присадки до некоторой степени способны даже удалить уже образовавшийся нагар. Когда масло попадает на поверхность нагара, то молекулы присадки проникают между металлом и отложениями, образуя на их поверхности заряженные пленки — прочность нагара уменьшается и он начинает разрушаться.
Моющие присадки нередко вводят в масла в значительном количестве — до 10—15%. При правильном подборе типа присадок и их концентрации обеспечивается необходимая чистота деталей двигателей и увеличивается межремонтный период.
Следует иметь в виду, что используемые металлосодержащие моющие присадки, больше других изменяют физико-химические показатели качества масел (зольность, коксуемость), что может вызвать увеличение износа, особенно в тех случаях, если присадка во время работы двигателя не, срабатывается. Поэтому количество вводимых присадок всегда должно соответствовать уровню форсирования и условиям эксплуатации двигателей.