Изменение свойств масла при работе поршневого двигателя

   В процессе работы двигателя находящееся в нем масло изменяет свои первоначальные свойства под действием ряда факторов, характерных для данного типа двигателя и условий его эксплуатации.

   Прежде всего, в масле происходят процессы окислительной полимеризации углеводородов, в результате которых в нем накапливаются продукты окисления (асфальтены, смолы, карбоиды, органические кислоты и др.). Исследования показали, что некоторые вещества, образующиеся в процессе окисления, являются ингибиторами окисления. Продукты окислительной полимеризации выпадают из масла в виде лаковой пленки на деталях двигателя, и, тем самым, уменьшают каталитическое действие металлов на процессы окисления. Все это приводит к тому, что в общем случае процессы окисления замедляются с течением времени, а само масло становится более стойким против окисления (рис. 14-17).

Рис. 14. Изменение содержания смол в масле во время работы поршневого двигателя

Рис. 15. Изменение содержания асфальтенов в масле во время работы поршневого двигателя

Рис. 16. Изменение содержания карбенов и карбоидов в масле в процессе работы поршневого двигателя

Рис.17. Изменение кислотности масла во время работы поршневого двигателя

  Наряду с продуктами окислительной полимеризации в масле в процессе его работы накапливаются неорганические примеси в виде частиц износа, механических примесей, попавших в двигатель извне (частицы пыли), а также продукты коррозии и неполного сгорания топлива и масла.

   Таким образом, в масле накапливаются примеси, которые можно разделить на две части – органическую часть (продукты окисления) и неорганическую часть (механические примеси, продукты износа, коррозии и т.п.).

   Основными методами определения ресурса работы масла в двигателе, которыми традиционно пользуются конструкторы двигателей, являются стендовые и эксплуатационные испытания масел на полноразмерных двигателях с последующей обработкой результатов на основании замеров износа и снятия основных характеристик работы двигателя. Последующая корректировка сроков службы масел производится на основании обобщения опыта эксплуатации данного вида двигателей.

   Такие методы весьма трудоемки, требуют значительных затрат на их проведение и в ряде случаев занижают назначаемые ресурсы работы масел в двигателях. В этой связи полезно рассмотреть методику графоаналитического определения сроков службы авиационных масел, разработанную еще в 60-е годы прошлого века кафедрой технической эксплуатации Киевского института гражданской авиации.

   По этому методу основным критерием состояния смазочного масла является интенсивность суммарного износа двигателя, зависящая от изменения свойств масла в процессе эксплуатации в двигателе. Предполагается, что суммарный износ деталей двигателя можно считать состоящим из суммы двух составляющих (рис.18): износа, происходящего под влиянием свойств основной части масла, который зависит от физико-химических свойств углеводородов, входящих в него, т.е. того, износа, который формируется исходя из предположения о том, что масло не меняет своих свойств в процессе эксплуатации: Y₁ = Bt

Рис. 18. Зависимость износа деталей двигателя от сроков службы масла

и износа, происходящего вследствие образования и накопления в масле продуктов старения и неорганических примесей, заносимых извне, т.е. износа, являющегося результатом как прямого воздействия на трущиеся поверхности продуктов старения, так и косвенного их влияния в связи с засорением двигателя различными отложениями:

Y₂ = Cat^k .

Тогда общий износ двигателя будет равен:

Y_m = Y₁ + Y₂ = Bt + CAt^k,

где: В –коэффициент, характеризующий свойства свежего масла;

    t – время работы двигателя, ч.;

   C – коэффициент пропорциональности;

    A – коэффициент, характеризующий скорость нарастания продуктов старения масла;

     k  - показатель степени.

  Методика определения срока службы масла заключается в следующем.

На одном из двигателей того типа, для которого устанавливается срок службы масла, проводят серию замеров величин суммарного износа (Y_m) через определенные промежутки времени (t). Замер износа производят методом определения железа в масле, методом радиоактивных изотопов, методом разборки и замера основных трущихся деталей или совместно несколькими методами. Зная величину суммарного износа и время, за которое он достигнут, и построив график (рис 19), определяют коэффициенты С и А, и показатель степени k, составив предварительно систему уравнений.

Зная коэффициенты А и С и показатель степени, можно построить график изменения износа двигателя, который обусловлен наличием продуктов старения масла от времени работы по уравнению:

            Y₂ = Cat^k .

Рис. 19. Графическое определение допустимого срока службы масла

Зная Y_m и Y_2, можно построить линию износа, предполагая, что масло в процессе работы двигателя не меняет свои свойства, по уравнению:

            Y₁ = Y_m- Y₂.

 При максимально допустимом износе Y_{m макс} число часов его работы при открытой циркуляции будет равно t_d  (рис 19). Если масло двигателя не менять, то величина максимального износа двигателя будет достигнута через t ч. Ресурс двигателя назначается по условиям максимальной надежности его работы с учетом износа, прочности и других факторов. Если ресурс двигателя определен в количестве t₂ ч., то, выполнив ряд математических преобразований, легко определить срок службы масла и число замен масла в период работы двигателя до выработки ресурса.

   Математическое выражение срока службы масла имеет следующий вид:

                  ——————

           k-1 / Y_m(1-m)                         t₂

      t₂= │/ ------------------- , где m=  ----- ≤ 1.

                      mt₂CA                            t_d    

   Данный метод определения срока службы масла разработан на основании исследований, проведенных по определению ресурса работы моторных масел для наземной техники. Данный метод может использоваться для оценки ресурсов работы масел в двигателях, но даже при беглом знакомстве с ним остается много вопросов, связанных с допущениями, использованными при его объяснении. В последующие годы крупнейшие советские и зарубежные НИИ, такие как ЦИАМ, ГОСНИИ РАТ, 25 Гос НИИ МО РФ, НИИ ГА проводили развернутые исследования по оптимизации методов прогнозирования и оценке ресурса двигателей и масел по состоянию. В результате были разработаны и внедрены в практику инструментальные методы оценки остаточного ресурса масел, базирующиеся на методах феррографии, атомной абсорбции, рентгеновской флюоресценции и ИК спектроскопии, позволяющие оперативно и достоверно оценивать остаточный ресурс работы масел в двигателях. Разработаны отраслевые методы и инструкции по такого рода работам, а в некоторых областях промышленности, например, в ж/д транспорте, такая методика оформлена ГОСТом. За рубежом к настоящему времени действуют два стандарта, определяющие процедуры оценки остаточного ресурса смазочных материалов для двигателей внутреннего сгорания  ASTM D 6224 и газовых, и паровых турбин ASTM D – 4378 (подробное рассмотрение данного круга вопросов выходит за рамки данного учебного курса и здесь не рассматривается).

10. Ассортимент авиационных масел для ГТД отечественного производства

Минеральные масла

В России широкое распространение получили авиационные масла на минеральной основе. Это связано с их высоким качеством и относительно невысокой стоимостью.

Масло МС-8п ( ОСТ 38 101163-78) – наиболее широко распространенное масло на нефтяной основе с комплексом высокоэффективных присадок. Предназначено для ГТД дозвуковых и сверхзвуковых самолетов, у которых температура масла на выходе из двигателя не превышает 150°С, используется вместе с маслом МС-20 (в соотношениях 25:75, 50:50 и 75:25) в составе маслосмесей в ТВД, а также для консервации маслосистем авиационных двигателей. Превосходит масло МК-8 и МК-8п по вязкости при низких температурах, термоокислительной стабильности и ресурсу работы.

   Масло МС-8рк (ТУ 38 1011181-88) – рабоче - консервационное масло на базе масла МС-8п с добавлением ингибитора коррозии. Предназначено для смазывания и консервации авиационных двигателей. Равноценно маслу МС-8п по своим эксплуатационным характеристикам и значительно превосходит по консервационным. При консервации маслосистем авиационных двигателей срок защиты составляет: для масла МК-8 – 3 мес., для масла МС-8п – 1 год, для масла МС-8рк – 4-8 лет.

Масла МК-8, МК-8п (ГОСТ 6457-66) – масла на нефтяной основе, производились из бакинских нефтей. Область их применения аналогична областям применения масел МС-8п и МС-8рк. В настоящее время не производятся.

  Масло МС-20 (ГОСТ 21743-76) - масло селективной очистки. Используют в шарнирах винтов вертолетов в качестве компонента в маслосмесях для ТВД.

 Маслосмесь СМ -4,5 (ТУ 0253-007-39247202-96) - смесь авиационных масел МС-8п и МС-20 в соотношении 75:25. Предназначена для применения в самолетах с ТВД.

  Масло МН-7,5у (ТУ 38.101722-85) – унифицированное масло на нефтяной основе с комплексом присадок. Разработано взамен маслосмесей, масла МН-7,5 и ВНИИНП-7. Можно применять в ТВД всех типов при температуре масла на выходе из двигателя до 150°С.

  Масло Эридан (ТУ 38.401829-90) обладает высоким уровнем термической стабильности (370°С) и термоокислительной стабильности (180-200°С), трибологичских характеристик (противоизносных, антифрикционных и противозадирных), а также хорошими антикоррозионными свойствами (не хуже масла МС-8рк). Область применения должна уточняться конкретно для каждого типа двигателя в соответствии с рекомендациями, изложенными в книге «Смазочные масла для приводов и нагнетателей газоперерабатывающих агрегатов» (авторы Хурумова А.Ф., Назарова Т.И. и др. -М,: 1996).

Синтетические масла

  В связи с ростом теплонапряженности авиационных двигателей возникла необходимость применения в них более термостабильных масел. Минеральные масла уже не могли удовлетворять требования применения и в начале 60-х годов были начаты исследования по созданию термостабильных масел на основе синтетических продуктов. Из большого класса химических соединений предпочтение было отдано сложным эфирам моноспиртов и двухосновных органических кислот, а также эфирам многоатомных спиртов и синтетических жирных кислот (СЖК). Эти эфиры обладают наиболее приемлемыми физико-химическими свойствами и хорошей приемистостью к различным функциональным присадкам.

   Масло ИПМ-10 (ТУ 38.101299-90) – синтетическое углеводородное с комплексом высокоэффективных присадок. Работоспособно в интервале температур от -50°С до +200°С.   В конце 60-х годов было разработано и испытано с положительными результатами, не имевшими к тому времени зарубежных аналогов. Синтетическое углеводородное масло ИПМ-10 успешно применялось в качестве рабочего масла в теплонапряженных ТРД и во вспомогательных агрегатах летательных аппаратов. Масло ИПМ-10 вырабатывалось на основе изопарафиновых углеводородов (масло ИПМА -10) – смесь продуктов гидрокрекинга и гидроизомеризации парафина со сложным эфиром ДОС с добавками комплекса функциональных присадок. В 1993 г. производство масла ИПМ-10 было прекращено из-за отсутствия сырья, требуемого качества. С    1999 г. масло ИПМ-10 вырабатывается на основе изопарафиновых углеводородов, полученных в результате других технологических процессов – олигомеризацией альфаолефинов, в результате чего образуются полиальфаолефины (ПАОМы) различной вязкости. Применяют в теплонапряженных ГТД военной и гражданской авиации с температурой масла на выходе из двигателя до 200°С, а также в авиационных турбохолодильниках в качестве унифицированного сорта масла и в других агрегатах. Можно использовать для недлительной консервации.

Масло ВНИИНП -50-1-4-ф (ГОСТ 13076-86) – синтетическое диэфирное масло с присадками, повышающими противоизносные свойства и тер-моокислительную стабильность. На основе сложных эфиров диизоктилового спирта и себациновой кислоты (ДОС). В 60-х годах было разработано и допущено к применению масло ВНИИНП 50-1-4ф, обладающее хорошими низкотемпературными свойствами и термостабильное до 175-180°С.  При-меняют в двигателях с температурой масла на выходе до 175°С и в турбохо-лодильниках.

 Масло ВНИИНП-50-4-у (ТУ38.401-58-12-91) – синтетическое диэфирное, содержащее эффективную композицию антиокислительных присадок, позволяющих применять масло при температуре от -60 до +200°С с перегревом до 225°С. Допущено к применению во всех авиационных ГТД. Может заменить масло ВНИИНП-50-4-ф во всех отношениях. Не требуется замена резин и конструкционных материалов. Используется как одно из основных в военной технике (например, МиГ-29). Рекомендовано для перспективной техники.

 Масло Б-3В (ТУ 38.101295-85) – синтетическое масло на основе сложных эфиров пентоэритрита и жирных кислот С₅-С₉ с комплексом присадок. В их состав включена антиокислительная (параоксидифениламин) и противо-задирная (2-меркаптобензтриазол). Применяют в ГТД, редукторах вертолетов и другой техники с температурой масла на выходе из двигателя до 200°С, однако высокая коррозионная агрессивность его к ряду конструкционных материалов (медные и магниевые сплавы) при повышенных температурах ограничивают температурные пределы его применения. Обладает высокими смазывающими свойствами. Недостаток: выпадение в осадок противозадирной присадки при низкой температуре эксплуатации в результате окисления с последующим растворением осадка в масле при 70-90°С подобно тому, как это происходит в масле 36/1КуА вследствие окисления противозадирной присадки, особенно в зимнее время. В настоящее время ряд российских фирм - производителей акти-вно занимается устранением данного недостатка.

  Масло 36/1-КУА (ТУ 38.101384-78) – синтетическое на основе сложных эфиров с комплексом присадок. Обладает высокими противозадирными свойствами. Используют в ГТД с температурой масла на выходе двигателя до 200°С. На основе смеси эфиров диэтиленгликоля и пентоэритрита и СЖК фракции С₅-С₉ было разработано масло 36/1, содержащее в качестве антиокислительной присадки 0,5% параоксидифениламина. Позже, на основе этого масла был разработан последовательно целый ряд композиций масел – 36/1К, 36/1Ку и 36/1КуА. В составе указанных масел содержалась активная противозадирная присадка 2-меркаптобензтиазол («каптакс»), введенная для улучшения смазывающей способности масла 36/1. Недостатком этих синтетических масел являлась высокая коррозионная агрессивность по отношению к цветным металлам и магниевым сплавам. Наличие в составе масел 36/1К, 36/1Ку и 36/1КуА присадки каптакс обуславливало потенциальную возможность образования осадков в маслосистеме двигателей вследствие окисления присадки кислородом воздуха при повышенных температурах. Образующийся при этом продукт окисления дитиобензтиозол («альтакс») обладает значительно худшей растворимостью в основе масла, особенно при низких температурах и в определенных условиях может выпадать в осадок. В настоящее время не вырабатывается.

     Масло ЛЗ-240 (ТУ 301-04-010-92) - синтетическое на основе сложных эфиров пентоэритрита и жирных кислот с комплексом присадок. Рекомендуется для использования в тех же двигателях, в которых применяется масло Б-3В.

     Масло ПТС-225 (ТУ 38.401-58-1-90) - синтетическое высокостабильное на основе сложных эфиров пентоэритрита и синтетических жирных кислот С₅-С₉. Работоспособно в интервале температур от -60 до +225°С. Рекомендовано к применению в теплонапряженной авиационной технике в качестве унифи-цированного масла для отработки новых теплонапряженных авиационных ГТД (ТРД, ТВД, ТВВД, турбовальных двигателей и редукторы вертолетов). Масло обладает улучшенными вязкостно-температурными свойствами и высокой термоокислительной стабильностью. Рекомендуется для перспективной авиатехники, а также взамен товарных нефтяных синтетических авиамасел. По своим физико-химическим и  эксплуатационным свойствам наиболее соответствует (по сравнению с другими маслами) американской спецификации MIL – L – 23699F.

    Масло ВТ-301 (ТУ 38.101657-85) - синтетическое на основе кремний-органических жидкостей с присадкой.

Для работы авиационных ТРД высокой тепловой напряженности было разработано масло ВТ-301 на основе фторорганосилоксанов. Масло ВТ-301 обладает высокой термоокислительной стабильностью (до 250-280°С), уникальными низкотемпературными свойствами, не агрессивно к большинству конструкционных авиационных материалов. К недостаткам масла следует отнести сравнительно невысокие противоизносные свойства, сложность технологии изготовления и, как следствие этого, чрезмерно высокую стоимость.

Масло ВНИИНП-25 шарнирное (ГОСТ 11122-84) – нефтяное низкозастывающее масло (зимний сорт), загущенное полимерной присадкой, содержит антиокислительную присадку. В настоящее время не производится.

Масло ВО-12 (ТУ РМ=80-4-95) – всесезонное масло для осевых шарниров и втулок винтов вертолетов. Разработано взамен масла ВНИИНП-25. Работоспособно при температуре окружающей среды от -50 до +60°С. Представляет собой смесь синтетического ПАО и диэфиров с комплексом присадок.