1.3. Автомобильные топлива, смазочные материалы и технические жидкости

1.3.1. Автомобильные топлива

Долговечность работы двигателя зависит от многих факторов, и в значительной степени – от качества применяемого топлива. Основными автомобильными топливами являются бензины и дизельное топливо.

Бензин – это смесь углеводородов (соединение углерода и водорода), имеющих температуру кипения от 30 до 200 °C и присадок, предназначенных для улучшения эксплуатационных свойств топлива. Бензин используется в двигателях внутреннего сгорания с воспламенением от искры.

Неконтролируемое самовоспламенение части бензовоздушной смеси, сопровождающееся горением взрывного характера (скорость распространения фронта пламени возрастает с 15–20 до 1500–2500 м/с), называется детонацией. Ее признаками являются характерные металлические стуки (результат многократного отражения ударных волн от поверхностей цилиндров), вибрации и снижение мощности двигателя, увеличение расхода топлива, повышение дымности отработанных газов. Детонация приводит к перегреву и оплавлению поршней, прогару прокладки головки блока цилиндров, разрушению поршневых колец, износу подшипников коленчатого вала.

Показатель стойкости бензина к детонации выражается октановым числом (ОЧ) бензина. Оно определяется в лабораторных условиях на моторной установке путем сравнения ее работы на испытуемом бензине и эталонном топливе (смеси изооктана с ОЧ=100 и гептана с ОЧ=0), детонационная стойкость которого известна. Октановое число равно содержанию изооктана в смеси с гептаном. Важнейшим условием бездетонационной работы двигателя является применение топлива с октановым числом, рекомендуемым заводом-изготовителем. Оно указывается в марке бензина, т. е., к примеру, бензин АИ-95 обладает октановым числом 95.

Дизельное топливо представляет собой смесь углеводородов с температурой кипения 180–360 °C. В некоторые марки дизельного топлива вводятся присадки для улучшения его эксплуатационных свойств. Оно предназначено для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Дизельное топливо, впрыснутое в сжатый и нагретый в цилиндре воздух (500–700 °C), должно распылиться, частично испариться и самовоспламениться за очень короткий промежуток времени (0,002-0,003 с), который называется периодом задержки самовоспламенения.

Воспламеняемость дизельного топлива характеризуется цетановым числом, которое определяется испытанием на моторной установке. Чем оно выше, тем короче период задержки самовоспламенения. Его численное значение равно процентному содержанию цетана в смеси с метилнафталином, воспламеняемость которой эквивалентна испытуемому дизтопливу. При цетановом числе менее 40 (большом периоде задержки самовоспламенения) топливо в цилиндре успевает хорошо прогреться, поэтому воспламенение носит взрывной характер и резко повышает давление в цилиндре. Такую работу дизеля называют «жесткой», она вызывает ударные нагрузки на поршень, подшипники коленвала, приводит к их ускоренному износу. Дизельное топливо с цетановым числом выше 55, поступив в цилиндр, не успевает хорошо прогреться, поэтому давление в цилиндре нарастает равномерно, дизель работает «мягко». Однако при этом ухудшается процесс смесеобразования, что приводит к неполному сгоранию топлива, падению мощности и экономичности двигателя, повышению дымности отработавших газов. Цетановое число летнего и зимнего дизельного топлива разное.

Производство бензинов и дизельных топлив

Производство топлива – это комплекс технологических процессов, осуществляемых преимущественно на крупных нефтеперерабатывающих заводах. Потребление высокооктановых бензинов (например АИ-95, АИ-98) несколько выше, чем объем их производства на нефтеперерабатывающих заводах. Это связано с низкой потребностью в этих бензинах в некоторых регионах страны, а малотоннажное производство крупным предприятиям не выгодно, поэтому высокооктановые бензины производят небольшие фирмы, которые должны обладать допуском, выданным межведомственной комиссией по испытанию топлив, смазок и специальных жидкостей при Госстандарте РФ.

Эти предприятия получают бензин из компонентов, изготовленных промышленным путем на нефтеперерабатывающих заводах. Например, добавлением в АИ-92 12–15 % метил-трет-бутилового эфира получают бензин марки АИ-95, АИ-98, которые имеют вполне приемлемое качество. Используются также (в допустимых концентрациях) высокооктановые добавки – антидетонаторы.

Тем не менее встречаются недобросовестные производители, нарушающие технологию производства. В основном это заключается в изготовлении суррогатных бензинов из низкооктановых компонентов путем добавления антидетонационных присадок в концентрациях, превышающих допустимые нормы. Использование такого топлива в большинстве случаев приводит к нарушению нормальной работы двигателя и даже к выходу его из строя. Например, превышение допустимых норм железосодержащих антидетонаторов вызывает отложение токопроводящего кранного налета на свечах, распылительных отверстиях форсунок и т. д., который практически не удаляется и выводит эти элементы из строя. Зимнее дизельное топливо дороже летнего, поэтому недобросовестные производители для снижения температуры застывания добавляют зимой в летнее дизтопливо бензины или керосины. У них довольно низкое цетановое число (у керосина – 20–40, у бензина – 14–24), что приводит к жесткой работе двигателя и, соответственно, к повышению износа.

Добавление в дизтопливо некачественных депрессорных присадок, понижающих только температуру застывания и не влияющих на предельную температуру фильтруемости, вызывает забивание фильтров. Дизельное топливо получают смешением прямогонных и прошедших гидроочистку фракций в соотношении, обеспечивающем требования стандарта по содержанию серы. Для обеспечения низкотемпературных свойств зимнее и арктическое дизтопливо получают из более легких фракций, чем летнее, или проводят его депарафинизацию (извлечение парафинов).

1.3.2. Смазочные материалы

Все механизмы автомобиля требуют смазки. Несмотря на то, что нефть была известна человеку давно, она использовалась только в чистом виде. Когда нефть научились перерабатывать, из нее извлекали в основном керосин, а ценнейший остаток – мазут, составляющий 70–90 % ее массы, использовали только как топливо. Дальнейшее развитие технологии нефтепереработки позволило разделить мазут на фракции и производить из него различные масла, которые получили название минеральных.

Современные автомобильные двигатели характеризуются высокими механическими и тепловыми нагрузками и поэтому предъявляют высокие требования к качеству смазочного материала. Этого можно добиться добавлением к маслам специальных веществ, так называемых присадок, каждая из которых улучшает одно или несколько свойств масла. Так, например, противоизносные присадки снижают износ трущихся деталей, моющие уменьшают отложение налета на детали и не допускают пригорания поршневых колец и т. д. В современных маслах число вводимых присадок достигает десяти.

Все масла имеют множество показателей, которые указаны в технической характеристике. Но покупателей должны интересовать только два из них: уровень качества (подойдет ли оно к автомобилю) и вязкость (годится ли оно для предстоящего сезона и для данного климата). Ответы на эти вопросы содержатся в маркировке любого товарного сорта принятой во всем мире системы индексации моторных масел.

По зарубежным стандартам вязкость определяется и указывается по методике американского Общества автомобильных инженеров SAE. Буквы SAE на этикетке означают, что последующие цифры характеризуют вязкость масла. Буква W (winter – зима) ставится в обозначениях зимних сортов. Стандарт SAE J300 предусматривает 6 зимних классов вязкости – 0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W, гарантирующих холодный пуск и достаточную прокачиваемость при температурах от -30 до 5 °C соответственно.

В наименованиях летних сортов буквы и обозначения не используются, и с повышением вязкости (при температуре, равной 100 °C) они распределяются по классам SAE в следующем порядке: 20, 30, 40, 50, 60. Для водителей, эксплуатирующих автомобиль круглый год, использовать сезонные сорта масел невыгодно. Поэтому повсеместно применяют всесезонные сорта, в маркировке вязкости которых после букв SAE сначала следует зимний показатель, затем летний. Между двумя обозначениями обычно ставят дефис или знак дроби, либо пробел. Например, SAE 15W-40, SAE 5W/50, SAE 10W 30.

Во всем мире принята квалификационная система, разработанная Американским институтом нефти API. В институте регулярно проводятся испытания моторных масел всех фирм, по их результатам присваивается индекс качества в соответствии с требованиями, предъявляемыми конструкторами автомобилей. Буквы API на этикетке предшествуют символам класса качества. Их два: шкала S, используемая в бензиновых двигателях, и шкала С, используемая в дизельных двигателях.

Уровни качества обозначаются латинскими буквами. В системе API приняты восемь классов для бензиновых двигателей (A, B, C, D, E, F, G, H) и шесть классов – для дизелей (A, B, C, D, E, F4).

Наряду с обычным минеральным маслом – продуктом прямой переработки нефти – существует масло синтетическое, полученное в результате реакции синтеза при взаимодействии различных молекул веществ животного или растительного происхождения. Масло, изготовленное на синтетической основе, как правило, на 20–30 % дороже, но обеспечивает больший пробег до очередной замены масла, а при регулярном использовании – более продолжительную жизнь двигателю.

Синтетическое масло – прекрасный смазочный материал, многие его показатели выше аналогичных показателей масел на нефтяной основе: лучшая вязкость, меньшая испаряемость, шире диапазон рабочих температур, более высокая сопротивляемость окислению. Синтетическое масло обеспечивает легкий пуск двигателя в сильные морозы и прекрасно защищает изнашивающиеся детали при больших нагрузках, позволяя экономить топливо, а также снижает расход моторного масла.

Следует заметить, что смешивать при эксплуатации синтетическое и минеральное масла нельзя, если это специально не оговаривается на этикетке. Ведущие производители масел добились такого уровня технологий, при котором можно смешивать синтетические масла с другими типами моторных масел данного производителя. Использование масла более низкого качества, например, группы Б вместо рекомендуемого Г, неизбежно приведет к снижению ресурса двигателя. По ряду причин не следует применять масла более «высоких» групп, чем рекомендовано заводом-изготовителем автомобиля.

Среди владельцев дизельных легковых автомобилей распространено ошибочное мнение, что для их моторов подходит любое дизельное масло. Такое суждение также часто поддерживается продавцами дешевых дизельных масел для большегрузных транспортных средств. Нередко желание повысить объем сбыта идет вразрез с рекомендациями по использованию таких масел.

Разница между двигателями легковых и грузовых автомобилей следующая: мотор легкового автомобиля должен быть легким и небольшим, для грузовиков это требование не имеет большого значения. Чтобы установить дизельный двигатель в легковой автомобиль, его габариты не должны превышать размеры бензинового мотора. Малый диаметр поршней и цилиндров, небольшой рабочий объем существенно ухудшают условия смесеобразования и сгорания по сравнению с большим дизелем. Чтобы получить достаточную мощность при малом размере двигателя, приходится в несколько раз увеличивать обороты. Например, для достижения номинальной мощности двухлитрового двигателя необходимо 4000–4500 об/мин, а для двенадцатилитрового двигателя – 1900–2100 об/мин. В результате повышаются механические нагрузки от инерционных сил, действующих на детали двигателя и разделяющую их масляную пленку, а время смесеобразования резко сокращается. Поэтому дизельные двигатели легковых автомобилей часто оснащают дополнительными (вихревыми) камерами сгорания. Существенный недостаток такой конструкции – образование большого количества сажи. Следовательно, вязкость масла в двигателях с вихревыми камерами повышается гораздо быстрее. К тому же в раздельных камерах сгорания частицы сажи гораздо крупнее. Это значит, что для поддержания их во взвешенном состоянии необходимо масло с более высокими диспергирующими свойствами.

В последние годы для повышения мощности на малых дизелях чаще применяется турбонаддув. Давление воздуха во впускном коллекторе за турбокомпрессором превышает атмосферное в 1,82,0 раза, в цилиндрах на протяжении всего цикла оно выше, чем снаружи. Поэтому у современных дизелей по сравнению с безнаддувным вариантом газы активнее прорываются в картер. Если к этому добавить повышенную температуру деталей поршневой группы и проблемы с охлаждением подшипника турбокомпрессора (с частотой вращения до 40 000 оборотов в минуту), то можно сказать, что условия работы масла резко ухудшаются, а это приводит к его ускоренному старению.

К малым дизелям предъявляются высокие экологические требования. Чтобы уложиться в нормативы, используют катализаторы, применяют рециркуляцию выхлопных газов, что также ужесточает условия для действия масла. Сроки замены масла на малых дизелях обычно гораздо короче, чем у дизелей большегрузных автомобилей. Если на грузовых автомобилях высококачественные масла типа Castrol Turbomax допускается заменять через 45 000 км, а синтетическое дизельное масло Castrol Suntruck – через 90 000 км, то для малых дизелей этот срок составляет в среднем 10 000-15 000 км.

Следовательно, малому дизелю требуется специальное масло. Приобретая масло для легкового автомобиля, нужно ознакомиться с маркировкой на упаковке. Крупные производители автомобильных масел обязательно указывают все классификации и спецификации, которым отвечает данный продукт. К примеру, моторные масла Castrol GTX5 Lightec имеют маркировку SAE 10W-40 API SJ/CF, ACEA A3-96, B3-96, VW 00. Из этой маркировки следует, что масло имеет класс вязкости 10W-40, класс качества по API для бензиновых SJ (введен с октября 1996 г.) и дизельных CF. Дополнительно приведена классификация ACEA (Ассоциация европейских производителей автомобилей), введенная с 1 января 1996 года. А3-96 – высший класс для бензиновых, а В3 – высший класс для дизельных двигателей. Кроме того, масло соответствует последним требованиям двигателя «Фольксваген» VW 505.00 и может применяться во всех легковых автомобилях «Мерседес-Бенц».

Моторные масла

На этикетке моторного масла (рис. 1.4) указываются:

1

Рис. 1.4. Примеры маркировки и тары для масел

1. Завод-изготовитель.

2. Название масла.

3. Группа качества по классификации АР1. Например, SG – масло высшего качества для бензиновых двигателей; CE – масло высшего качества для дизельных двигателей.

4. Маркировка по SAE (вязкостные свойства). Например, SAE 5W – зимнее масло; SAE 40 – летнее масло; SAE 15W-40 – всесезонное масло.

5. Основа масла: синтетическое, полусинтетическое, на минеральной основе.

6. Номер или индекс партии масла.

7. Дата изготовления.

Например:

1. BR (British Petroleum)

2. Название

3. SG/CC

4. SAE10W40

5. Min. (минеральное)

6. № 7.19.02.09

Современные моторные масла, в отличие от чистых минеральных масел (без присадок), заметно темнеют уже через некоторое время работы двигателя. Это потемнение объясняется особенностями свойств масла, является вполне нормальным и не служит сигналом о необходимости замены масла.

При выборе моторного масла для автомобиля иностранного производства, прежде всего, необходимо руководствоваться указаниями инструкции по эксплуатации. Для двигателей, форсированных с турбонаддувом, многоклапанных, необходимо применять масло высших групп качества SG, SH, CD, CE. Для иномарок выпуска 1988 г. и позже масла производства СНГ применять не рекомендуется. Различные добавки, присадки скорее могут ухудшить комплекс качеств хорошего моторного масла иностранного производства. Кроме того, существует опасность появления твердых отложений в системе смазки двигателя, засорения масляного фильтра, закупоривания масляных каналов и, как следствие, прекращения подачи масла к трущимся поверхностям и поломке двигателя.

При покупке моторного масла предпочтение надо отдавать известным фирмам, и приобретать масло следует в специализированных магазинах. Моторное масло хранится в герметичной упаковке, исключающей взаимодействие с воздухом и влагой. Вода, попавшая в масло даже в небольшом количестве, приводит к выпадению присадок в виде осадка. Масло необратимо теряет качество, восстановить его нельзя.

Тару с маслом желательно держать в прохладном месте. При соблюдении этих правил масло может храниться до 5 лет, не теряя своих качеств. Если масло долго хранилось, перед употреблением его необходимо тщательно перемешать.

Моторные масла производства СНГ в целом по качеству значительно уступают зарубежным. Более того, аналогов зарубежным маслам высшего качества вообще не производится.

По действующей классификации все масла, предназначенные для двигателей внутреннего сгорания, называются моторными и в зависимости от рекомендуемых областей применения подразделяются на шесть групп (А, Б, В, Г, Д, Е). Для двигателей автомобилей используются только масла групп Б, В, Г; масла других групп для этой цели непригодны.

Внутри каждой группы масла подразделяются на марки. Условное обозначение масла состоит из буквы М, числа, указывающего величину вязкости масла, буквы, определяющей группу масла, а также индексов 1 или 2, обозначающих, что масло предназначено для бензиновых двигателей или дизелей. Отсутствие индекса означает, что это масло можно применять для обоих типов двигателей. Буква И после обозначения группы указывает на то, что в масле содержится импортная присадка. Например, масло М-8Г1: буква М означает, что это масло моторное, цифра 8 – характеристика вязкости, буква Г с индексом 1 указывает, что масло относится к группе Г и предназначено для смазывания высокофорсированных бензиновых двигателей.

Свои особенности имеют обозначения так называемых загущенных масел, которые отличаются низкой зависимостью вязкости от температуры. Например, масло марки М-6у/10Г1. Здесь цифра 6 – условный класс вязкости при температуре 18 °C, буква \’у\’ означает, что масло имеет загущающую присадку и предназначено для применения зимой, а также всесезонно, цифра 10 характеризует вязкость масла при 100 °C, буква Г с индексом 1 показывает, что масло относится к группе Г и предназначено для смазывания высокофорсированных бензиновых двигателей.

По вязкости масла производства СНГ подразделяются на 22 класса: четыре зимних класса (3, 4, 5, 6), семь летних (от 6 до 20) и одиннадцать всесезонных (3 3/8-6 3/16). Номер класса соответствует численной величине средней кинематической вязкости масла данного класса. Маркировка всесезонных масел имеет смешанный индекс: вначале стоит показатель зимнего класса и затем через дробную черту – показатель летнего класса.

Маркировка моторного масла производства СНГ начинается с буквы М (моторное); далее следует число, соответствующее классу вязкости; в конце расположена буква, характеризующая уровень качества. Например, М12Г1 – летнее масло для бензиновых двигателей с вязкостью 12 и уровнем качества Г1; М6 3/12Г1 – всесезонное масло с вязкостными свойствами 6 3/12 и уровнем качества Г1.

Трансмиссионные масла

Трансмиссионным маслам уделяется гораздо меньше внимания, чем моторным. Однако надежная эксплуатация автомобилей возможна лишь при условии применения качественного масла во всех узлах и механизмах. Работа масла в трансмиссии современного автомобиля имеет специфические особенности. Это высокие контактные давления, скорости скольжения и широкий диапазон температур. Пусковые свойства и длительную работоспособность масла необходимо обеспечивать в интервале рабочей температуры от -60 до 150 °C. В зоне контакта зубьев шестерен фактическая температура может быть на 150–200 градусов выше.

К основным функциям трансмиссионного масла относится:

• предохранение поверхностей трения от износа, задира, питтинга (коррозии) и поломки отдельных элементов, например зубьев;

• снижение потерь энергии на трение;

• отвод тепла из зоны контакта трущихся поверхностей;

• снижение шума и вибрации, уменьшение ударных нагрузок.

В зоне контакта некоторых элементов трансмиссии наблюдаются гидравлическое, смешанное и граничное трение. По мере совершенствования конструкции узлов и агрегатов и повышения интенсивности их работы доминирующим становится граничное и смешанное трение.

Для обеспечения пуска трансмиссии при наиболее низкой температуре и для снижения потерь на трение в передачах вязкость масла должна быть минимальной, а для обеспечения высокой несущей способности масляной пленки и предотвращения потерь масла через уплотнения – максимальной. При хороших низкотемпературных свойствах и минимально допустимой вязкости при пуске и разогреве агрегатов автомобиля масло должно обладать достаточными противозадирными и противопиттинговыми свойствами, быть стойким к окислению, физически стабильным, противодействовать коррозии меди и пенообразованию, обладать необходимой совместимостью с резиновыми уплотнениями и иметь хорошие защитные свойства при контакте с водой.

Отечественная классификация трансмиссионных масел отражена в ГОСТ 17479.2-85. Трансмиссионные масла разделяются по вязкости на четыре класса. В каждом из них ограничены кинематическая вязкость при 100 °C и отрицательная температура, при которой динамическая вязкость не превышает 150 000 мПа-с (предельная величина, при которой возможна надежная работа агрегатов трансмиссии). В зависимости от эксплуатационных свойств и возможных областей применения масла для трансмиссии автомобилей, тракторов и другой мобильной наземной техники отнесены к пяти группам. По ГОСТ 17479.2-85 масла маркируют по уровню напряженности работы и классам вязкости. Например, в маркировке ТМ-5-18 обозначение ТМ – это начальные буквы слов «трансмиссионное масло», цифра 5 – группа по эксплуатационным свойствам, 18 – класс.

В США и Западной Европе получили распространение две системы классификации автотракторных трансмиссионных масел: SAEJ 306 – по вязкости (разработана Американским обществом автомобильных инженеров); API – по эксплуатационным свойствам (разработана Американским нефтяным институтом). Эти классификации дополняют одна другую, их совместное использование обеспечивает правильный выбор масла.

Согласно последней редакции SAE J306 (JUL98), при описании класса вязкости трансмиссионного масла в обозначении можно использовать число с буквой W, например, SAE 75W; только число (SAE 80); комбинацию двух чисел с буквой W (SAE 75W-90). В последнем случае вначале должен быть указан сорт с буквой W, после которой ставится дефис. Другие варианты написания неприемлемы. Маркировка с двумя буквами W исключается. Трансмиссионное масло, отвечающее требованиям SAE 75W, SAE 85W и SAE 90, имеет обозначение SAE 75W-90, но не SAE 75W-85W-9 °C

Свойства трансмиссионных масел по классам вязкости

ГОСТ 17479.2-85 1

Классификация SAE J 306 (JUL98)

1

1.3.3. Охлаждающие жидкости

Одной из первых охлаждающих жидкостей является вода, ее иногда до сих пор используют в этом качестве. В природной воде растворены соли и минералы. Соли (преимущественно кальций и магний) в совокупности с хлоридами и сульфатами (в меньшей степени) обуславливают жесткость воды. Карбонатная жесткость воды приводит к образованию осадка в форме нетвердых отложений (взвеси) или накипи на металлических поверхностях системы охлаждения. Солевые теплоизоляционные накипи снижают теплоотдачу частей системы охлаждения, которые особенно нуждаются в охлаждении, что может привести к серьезным проблемам, например, заклиниванию поршней или образованию трещин в блоке цилиндров. Кроме того, свободные сульфаты и хлориды приводят к увеличению коррозии металлов системы охлаждения. Но наиболее важные недостатки воды как хладагента заключаются в том, что она превращается в лед при 0 °C, кипит при 100 °C (при нормальном атмосферном давлении) и испаряется из открытых систем при температуре меньше 100 °C.

Для увеличения температуры кипения систему охлаждения двигателя герметизируют. Однако существенно увеличить температуру кипения благодаря увеличению давления в системе охлаждения нельзя, т. к. не все элементы системы охлаждения выдерживают большое давление, например, резиновые шланги, уплотнения и радиатор, изготовленный из алюминия, меди или латуни. Точку замерзания воды ранее снижали, добавляя одноатомные спирты (метиловый, изопропиловый). Однако все они имеют очень низкую температуру кипения (65–82 °C), поэтому в настоящее время не используются. Пытались также использовать глицерин (температура кипения 290 °C), но, по причине высокой вязкости при низкой температуре и, как следствие, плохой прокачиваемости, эта попытка оказалась неудачной.

Наиболее полно исправить недостатки воды и при этом не лишить ее достоинств позволяет водно-глицериновый раствор. Он представляет собой водный раствор этиленгликоля с температурой кипения около 195 °C и температурой замерзания 12–13 °C. Раствор ядовит и может проникать в организм человека через кожу, но наиболее опасен при попадании внутрь (смертельная доза 35 см3). Раствор агрессивен к материалам деталей системы охлаждения (сталь, алюминий, чугун, медь, латунь, припои), поэтому в охлаждающей жидкости присутствуют присадки противокоррозионных (ингибиторов), антивспенивающих и стабилизирующих веществ. Плотность, температура замерзания и кипения охлаждающей жидкости зависят от концентрации этиленгликоля в ней. Эти зависимости у разных жидкостей могут существенно отличаться друг от друга. Необходимо также учитывать, что качество используемой воды существенно влияет на эффективность присадок, входящих в состав охлаждающей жидкости.

Оглавление

Обращение к пользователям