Вязкостно-температурные свойства моторных смазок

1. Вязкостно-температурные свойства – одна из важнейших характеристик моторного масла. От этих свойств зависит способность пуска двигателя без предварительного подогрева, беспрепятственное прокачивание масла насосом по смазочной системе, надежное смазывание и охлаждение деталей двигателя при наибольших допустимых нагрузках и температуре окружающей среды.

Показателями вязкостных свойств масел являются кинематическая и динамическая вязкость, а также индекс вязкости ИВ.

Динамическая вязкость μ характеризует связь силы внутреннего трения F со скоростью υ относительного перемещения слоев смазки при трении.

где – градиент скорости; у — толщина масляной пленки; S — площадь трущихся поверхностей.

Единица измерения μ — паскаль-секунда (Па·с) или сантипуаз (сП); или пуаз, (Н·с/м².).

Кинематическая вязкость ν представляет собой отношение динамической вязкости μ к плотности масла ρ,

ν = μ/ρ.

Измеряют кинематическую вязкость в м²/с или сантистоксах (1 сСт = 10^-6 м²/с). Обычно характеризуют свойства смазочного материала кинематической вязкостью при температуре 50 и 100 °С. Простых экспериментальных методов определения динамической или кинематической вязкости не существует. Для оценки этих величин измеряют условную вязкость, которую затем переводят в абсолютные единицы вязкости.

Условную вязкость (ВУ) измеряют с помощью вискозиметра, принцип действия которого основан на регистрации времени истечения установленного объема масла через калиброванное отверстие диаметром 2÷3 мм.

ВУ = τ/τ_в

где τ и τ_в – время истечения 200 см³ соответственно испытуемого масла при заданной температуре и дистиллированной воды при температуре 20 °С). Для определения кинематической вязкости по условной вязкости используют выражение

ν = 0,073ВУ– (0,063/ВУ).

С изменением температуры вязкость масла существенно изменяется. Так, при изменении температуры на 100 °C вязкость масла может измениться в 250 раз.

С повышением температуры характер изменения вязкости на графике выражается параболой (рис. 3, а). Такая зависимость неудобна для расчетов вязкости. Поэтому кривую зависимости вязкости от температуры обычно представляют в полулогарифмических координатах, в которых она приобретает практически прямой характер (рис. 3, б)

Рис. 3. Зависимость вязкости масла от температуры: а – в прямолинейных координатах; б – в полулогарифмических координатах

Для оценки склонности масла к изменению вязкостных свойств при изменении температуры применяют показатель, называемый индексом вязкости (ИВ).

Индекс вязкости (ИВ) дает возможность оценить вязкостно-температурные свойства определенною сорта масла по сравнению с эталонными маслами. За эталонные масла приняты лучшие рафинированные масла, которым присвоен индекс вязкости ИВ = 100, и худшие масла из богатой нафтенами нефти, для которых принято ИВ=0. Значения вязкости масел при температурах 38 °С (100 °F) и 99 °С (210 °F) наносят на график ν = φ(t) (рис. 4).

Рис. 4. График определения индекса вязкости масел из соотношения

Из соотношения: определяют индекс вязкости исследуемого масла.

Изменение вязкости масел от температуры описывается линейной зависимостью в логарифмических осях координат или нелинейной — при равномерных шкалах. Для определения индекса вязкости обычно пользуются формулой.

где ν_50min – кинематическая вязкость масла, для которого ИВ = 0; вязкость измеряется при 50 °С;

ν₅₀ – кинематическая вязкость оцениваемого масла при 50 °С;

ν_50max – кинематическая вязкость масла, для которого ИВ =100; вязкость измеряется при 50 °С;

р — поправка, вносимая при оценке свойств масла в области отрицательных

Рис. 5. Номограмма для определения вязкости масла при различных его температурах в двигателе

На сетке с логарифмическими координатами показана номограмма для определения индекса вязкости моторного масла (рис.5). Учитывая линейный характер зависимости, по номограмме можно определить вязкость масла при любой температуре. Индекс вязкости определяют по номограмме (рис. 6) расчетным путем или по специальным таблицам. Для определения индекса вязкости по номограмме необходимо знать значения кинематической вязкости масла при температурах 50 и 100 °C.

Рис. 6. Номограмма для определения индекса вязкости моторных масел

Величины ν_50min и ν_50max находят по таблицам значений индекса вязкости. Чем выше значение ИВ, тем меньше изменяется вязкость масла при изменении температуры, а следовательно, тем выше его вязкостные свойства. Высокий индекс вязкости имеют хорошо очищенные масла. Индекс вязкости современных масел равен 120÷150. Повышение значения ИВ и обеспечение эксплуатационных свойств масел достигается применением различных присадок. Чем выше индекс вязкости, тем более пологой кривой характеризуется моторное масло и тем лучше его вязкостно-температурные свойства (рис. 7).

Диапазон изменения температуры масла от холодного пуска зимой до максимального прогрева в подшипниках коленчатого вала или в зоне поршневых колец составляет до 180÷190ºС. Вязкость минеральных масел в интервале температур от –30 до +150°С изменяется в тысячи раз.

Рис. 7. Зависимость вязкости моторных масел от температуры для различных значений индекса вязкости: 1 – ИВ 90; 2 – ИВ 140

С повышением давления вязкость масла возрастает. Зависимость вязкости масла от давления определяют по уравнению Гуревича.

где Vр и Vо – соответственно вязкость при давлении 0,4 МПа и Р, мм²/с; k – коэффициент для нефтяных (минеральных) масел, k = 0,025.

С повышением давления вязкость более жидких масел возрастает в меньшей степени, чем более вязких масел. При давлении (1,5…2,0) 103 МПа минеральное масло затвердевает. Вводимые в базовое масло присадки способствуют сохранению несущей способности масляного слоя при увеличении нагрузки.

Из двух моторных масел с одинаковой вязкостью при температуре 100 °C, но с разными индексами вязкости одно (1) можно применять только в теплое время, так как при низких температурах оно теряет свою подвижность, а другое масло (2) можно применять всесезонно. Оно обеспечит легкий пуск двигателя при низких температурах воздуха.

Такие масла получили название всесезонные. У всесезонных масел высокий индекс вязкости – 115…140. Для автомобильных моторных масел индекс вязкости должен быть не менее 90.

Летние масла, имеющие достаточную вязкость при высокой температуре, обеспечивают пуск двигателя при температуре окружающей среды около 0 °С. Зимние масла, обеспечивающие холодный пуск при отрицательных температурах, имеют недостаточную вязкость при высокой температуре. Таким образом, сезонные масла независимо от их наработки (пробега автомобиля) необходимо менять дважды в год. Это усложняет и удорожает эксплуатацию двигателей. Проблема решена путем создания всесезонных масел, загущенных полимерными присадками.

Вязкостно-температурные свойства загущенных масел таковы, что при отрицательных температурах они подобны зимним, а в области высоких температур – летним. Вязкостно-температурные присадки относительно мало повышают вязкость базового масла при низкой температуре, но значительно увеличивают ее при высокой температуре, что обусловлено увеличением объема макрополимерных молекул с повышением температуры и рядом иных эффектов.

В отличие от сезонных, загущенные всесезонные масла изменяют вязкость под влиянием не только температуры, но и скорости сдвига, причем это изменение временное. С уменьшением скорости относительного перемещения смазываемых деталей вязкость возрастает, а с увеличением – снижается. Этот эффект больше проявляется при низкой температуре, но сохраняется и при высокой, что имеет два позитивных последствия: снижение вязкости в начале проворачивания холодного двигателя стартером облегчает пуск, а небольшое снижение вязкости масла в зазорах между поверхностями трения деталей прогретого двигателя уменьшает потери энергии на трение и дает экономию топлива.

Для придания маслу хороших вязкостно-температурных свойств в него вводят высокомолекулярные полимеры (загустители): полиизобутилены, полиметакрилаты и др. Механизм их действия основан на изменении формы макромолекул полимеров в зависимости от температуры. В холодном состоянии эти молекулы, будучи свернутыми в спиральки, не влияют на вязкость масла, при нагреве они распрямляются, и масло густеет (не становится слишком жидким). Масла, в состав которых входят вязкостные присадки (до 10 %), называют загущенными – это зимние и всесезонные сорта.

Характеристиками вязкостно-температурных свойств служат кинематическая вязкость, определяемая в капиллярных вискозиметрах, динамическая вязкость, измеряемая при различных градиентах скорости сдвига в ротационных вискозиметрах, а также индекс вязкости – безразмерный показатель пологости вязкостно-температурной зависимости.

К низкотемпературным характеристикам масел относят температуру застывания, при которой масло не течет под действием силы тяжести, т. е. теряет текучесть. Нижний температурный предел применения масла примерно на 8÷12 °С выше температуры застывания, т. е.

t_ов = t_з – (8÷12),

где t_ов – нижний температурный предел окружающего воздуха, °С; t_з – температура застывания масла в соответствии с ГОСТ, °С.

В большинстве случаев застывание моторных масел обусловлено образованием в объеме охлаждаемого масла микрокристаллов парафинов, которые образуют пространственную кристаллическую решетку, связывающую все масло в единую неподвижную массу. Требуемая нормативной документацией температура застывания достигается депарафинизацией базовых компонентов и или введением в состав моторного масла депрессорных присадок.

Температура застывания масла указывает на возможность перелить масло из канистры в картер двигателя, не прибегая к предварительному подогреву. Однозначной взаимосвязи температуры застывания масла с его пусковыми свойствами на холоде не существует.

Для понижения температуры застывания на 20 °С и более в масло вводят депрессорные присадки (до 1 %). Они предотвращают образование парафиновых кристаллов при низких температурах. Молекулы депрессора обволакивают зарождающиеся кристаллы и тем самым тормозят образование структурного каркаса в масле в виде кристаллической решетки из микрокристаллов парафина. Понижая температуру застывания масла, депрессаторы не влияют на его вязкостные свойства.

Температура вспышки. Если масло нагревать, то его пары образуют с воздухом смесь. Температуру, при которой эти пары способны воспламениться, называют температурой вспышки. Температура вспышки связана с фракционным составом масла и структурой молекул базовых компонентов. При прочих равных условиях высокая температура вспышки предпочтительна. Она существенно снижается по сравнению с исходным значением, если в процессе работы масло разжижается топливом из-за неисправности двигателя. В сочетании со снижением вязкости масла понижение температуры вспышки служит сигналом для поиска неисправностей системы подачи топлива, системы зажигания или карбюратора.

Антиокислительные свойства в значительной степени определяют стойкость масла к окислению и полимеризации в процессе работы двигателя, а также разложению при хранении и транспортировке. Условия работы моторных масел в двигателях настолько жестки, что предотвратить их окисление полностью не представляется возможным.

Окисление масла приводит к росту его вязкости и коррозионности, склонности к образованию отложений, загрязнению масляных фильтров и другим неблагоприятным последствиям (затруднение холодного пуска, ухудшение прокачиваемости масла).

На процесс окисления решающее влияние оказывает температура. Масла, хранящиеся при температуре 19÷20 °С, сохраняют свои первоначальные свойства в течение 5 лет. Начиная с 50÷60 °С, скорость окисления удваивается с увеличением температуры на каждые 10 °С.

Окисление масла в двигателе наиболее интенсивно происходит в тонких пленках масла на поверхностях деталей, нагревающихся до высокой температуры и соприкасающихся с горячими газами (поршень, цилиндр, поршневые кольца, направляющие и стебли клапанов). В объеме масло окисляется менее интенсивно, так как в поддоне картера, радиаторе, маслопроводах температура ниже и поверхность контакта масла с окисляющей газовой средой меньше. Во внутренних полостях двигателя, заполненных масляным туманом, окисление более интенсивно.

На скорость и глубину окислительных процессов значительно влияют попадающие в масло продукты неполного сгорания топлива. Они проникают в масло вместе с газами, прорывающимися из надпоршневого пространства в картер. Ускоряют окисление масла также частицы металлов и загрязнений неорганического происхождения, которые накапливаются в масле в результате изнашивания деталей двигателя, недостаточной очистки всасываемого воздуха, нейтрализации присадками неорганических кислот, а также металлорганические соединения меди, железа и других металлов, образующиеся в результате коррозии деталей двигателя или взаимодействия частиц изношенного металла с органическими кислотами. Все эти вещества – катализаторы окисления.

Значительно затормозить процессы окисления масла можно соответствующей очисткой базовых масел от нежелательных соединений, присутствующих в сырье; использованием синтетических базовых компонентов, а также введением эффективных антиокислительных присадок.

Присадки делятся на присадки-ингибиторы, работающие в общем объеме масла; термоокислительные присадки, выполняющие свои функции в рабочем слое на нагретых поверхностях. Наилучший антиокислительный эффект достигается при введении в масло присадок, обладающих различным механизмом действия. В качестве антиокислительных присадок к моторным маслам применяют диалкил- и диарилдитиофосфаты цинка, которые улучшают также антикоррозионные и противоизносные свойства. Их часто комбинируют друг с другом и с беззольными антиокислителями. К числу последних относят: соединения серы и фосфора, фенолы и амины. Содержание в масле – до 3 %. Довольно энергичными антиокислителями являются некоторые моюще-диспергирующие присадки, в частности, алкилсалицилатные и алкилфенольные.

Антикоррозионные свойства моторных масел зависят от наличия в них органических кислот, перекисей и других продуктов окисления, сернистых соединений, неорганических кислот, щелочей и воды. В процессе старения коррозионность моторных масел возрастает.

Антикоррозионные присадки защищают антифрикционные материалы (свинцовистую бронзу), образуя на их поверхности прочную защитную масляную пленку. Антиокислители препятствуют образованию агрессивных кислот. Иногда необходимо вводить в моторные масла присадки-деактиваторы, образующие хелатные соединения с медью, предохраняющие поверхность от коррозионного разрушения. Их концентрация достигает 1 %.

Антикоррозионные присадки типа дитиофосфатов цинка, применяемые в большинстве моторных масел, не защищают от коррозии сплавы на основе серебра и фосфористые бронзы, а при высокой температуре активно способствуют их коррозии. В двигателях, в которых используют такие антифрикционные материалы, необходимо использовать специальные масла, не содержащие дитиофосфатов цинка.

В стандартах на масла предусмотрены показатели оценки коррозионности: кислотное число, выраженное в миллиграммах КОН, которое требуется для нейтрализации органических кислот, находящихся в 1 г масла; содержание водорастворимых кислот и щелочей (в свежих маслах не выше 0,4 мг).

Для определения коррозионности масел имеется ряд методов. Все они основаны на оценке степени коррозии по потере массы пластинки (чаще всего свинцовой), выраженной в г/м², в результате ее погружения в нагретое масло.

Моюще-диспергирующие свойства характеризуют способность масла обеспечивать необходимую чистоту деталей двигателя, поддерживать продукты окисления и загрязнении во взвешенном состоянии. Чем выше моюще-диспергирующие свойства масла, тем больше нерастворимых веществ – продуктов старения может удерживаться в работающем масле без выпадения в осадок, тем меньше лакообразных отложений и нагаров образуется на горячих деталях, тем выше может быть допустимая температура деталей (степень форсирования двигателя).

В композициях моторных масел в качестве моющих используют зольные и беззольные присадки. Зольные присадки содержат бариевые и кальциевые соли сульфокислот (сульфонаты), а также алкилфеноляты щелочноземельных металлов бария и кальция, алкилсалицилаты и фосфонаты кальция или магния и реже (по экологическим соображениям) бария. Беззольные дисперсанты-присадки снижают, главным образом, склонность масла к образованию низкотемпературных отложений и скорость загрязнения фильтров тонкой очистки масла. Модифицированные термостойкие беззольные дисперсанты способствуют также уменьшению лако-и нагарообразования на поршнях.

Механизм действия моющих присадок заключается в следующем: детергирующие компоненты вымывают продукты окисления масла и износа деталей и несут их к фильтру, а диспергирующие компоненты способствуют дроблению крупных частиц нагара на мелкие (не больше микрона). Тем самым они удерживают грязь в мелкодисперсном состоянии, не дают ей слипнуться в большие комки и пригореть к металлу.

Моющие присадки добавляют в масла очень солидными дозами – до 15÷20 % общего объема. Содержатся во всех сортах высококачественных моторных масел.

При работе двигателей на топливах с повышенным содержанием серы моющие присадки, придающие маслу щелочность, препятствуют образованию отложений на деталях двигателей также путем нейтрализации кислот, образующихся из продуктов сгорания топлива. Количественно данная способность характеризуется щелочным числом. Чем оно больше, тем большее количество кислот, образующихся при окислении масла и сгорании топлива, может быть переведено в нейтральные соединения. В противном случае эти кислоты вызвали бы коррозионный износ деталей двигателя и усилили процессы образования различных углеродистых отложений на них. При работе масла в двигателе щелочное число неизбежно снижается, нейтрализующие присадки срабатываются. Такое снижение имеет допустимые пределы, по достижении которых масло считается утратившим работоспособность. Поэтому при прочих равных условиях предпочтительнее масло, у которого щелочное число выше.

Металлсодержащие моющие присадки (зольные) повышают зольность масла, что может привести к образованию зольных отложений в камере сгорания, замыканию электродов свечей зажигания, преждевременному воспламенению рабочей смеси, прогару выпускных клапанов, снижению детонационной стойкости топлива, абразивному изнашиванию. Поэтому сульфатную зольность моторных масел ограничивают верхним пределом. Ее допустимое значение зависит от типа и конструкции двигателя, расхода масла на угар, условий эксплуатации, в частности, от вида применяемого топлива. Наименее зольные масла необходимы для смазывания двухтактных бензиновых двигателей и двигателей, работающих на газе. Наибольшую зольность имеют высокощелочные цилиндровые масла.

Моющие свойства определяют методами на установках ПЗВ или «скользящее кольцо», в основе которых лежит определение степени лакообразования в баллах от 0 до 6 на боковой поверхности поршня и сопоставление ее с эталонной цветной шкалой.

Численные значения показателя моющих свойств масел для бензиновых двигателей составляют 0,5–1,0 балл.

Противоизносные свойства моторного масла характеризуют его способность препятствовать износу поверхностей трения, образованию на трущихся поверхностях прочной пленки, исключающей непосредственный контакт деталей. Высокие противоизносные свойства масла особенно востребованы при небольших частотах вращения коленчатого вала, когда высоки удельные нагрузки, а также когда геометрические формы или размеры деталей имеют существенные отклонения, что чревато задирами, схватыванием и разрушением трущихся поверхностей. Они зависят от химического состава и полярности базового масла, состава композиции присадок и вязкостно-температурной характеристики масла с присадками, которая в основном предопределяет температурные пределы его применимости (защита деталей от износа при пуске двигателя, при максимальных нагрузках и температурах окружающей среды).

Для снижения потерь на трение в моторные масла вводят антифрикционные присадки, основой которых служат беззольные органические соединения, содержащие благородные элементы: никель, кобальт, хром, молибден. Малорастворимые поверхностно-активные вещества такого типа образуют в узлах трения многослойные защитные пленки с внедрением легирующих компонентов в зону трения. Особое место при этом принадлежит молибдену, атомы которого способны связывать атомы железа и образовывать структуры, стойкие к питтингу (местному выкрашиванию металла), фреттинг-коррозии и др. Более того, только этот металл образует в результате окисления поверхностных слоев оксиды, температура плавления и твердость которых на порядок ниже, чем у металла поверхности трения. Содержание противоизносных компонентов составляет до 2 %.

Антипенные свойства. При работе двигателя масло непрерывно взбалтывается и разбрызгивается, в результате чего в масло попадают воздух, пары топлива и отработавшие газы. Выходя из масла, пузырьки воздуха образуют на поверхностях деталей двигателя обильную пену. Появление пены в масле – явление крайне нежелательное, так как при этом ухудшается процесс смазывания трущихся поверхностей. Из-за пузырьков воздуха в масле увеличивается его расход вследствие потерь через сапун или масляный бак, снижается надежность подачи к трущимся поверхностям необходимого количества масла, так как при пенообразовании вместе с маслом подается большое количество воздуха. На образование пены в масле оказывает влияние попадание воды. Способность масла противостоять образованию пены носит название антипенного свойства масла. Одним из наиболее эффективных путей снижения пенообразования в системе является введение в масло специальных противопенных присадок.

Противопенные присадки (обычно это силиконы или полилоксаны) не растворяются в моторных маслах, а присутствуют в виде мельчайших капелек. Их действие основано на разрушении пузырьков воздуха. Обойтись без этих присадок практически невозможно, но их присутствие не должно превышать тысячных долей процента – при термическом разложении силикона образуется оксид кремния, который является сильным абразивом.

Присадки вводятся «пакетом», и в зависимости от того, чего в нем больше, меняются свойства масла. Естественно, каждая присадка, подобно лекарству, оказывает не только прямое действие, но дает и побочные эффекты. Некоторые присадки сильно влияют друг на друга, причем иногда с взаимоуничтожающим результатом. Их подбор – дело исключительной тонкости.

Самостоятельное использование присадок нежелательно, так как может привести к непредсказуемым последствиям. Добавление даже самого хорошего компонента неизбежно нарушает баланс. В результате какой-либо показатель может быть улучшен, но другие при этом, почти наверняка, пострадают. В совокупности эффект будет в лучшем случае нулевым, в худшем – отрицательным.

Если вы все же рискнете добавить присадки самостоятельно, то не рекомендуется добавлять больше 250 мл на 4 л масла, иначе масло потеряет характеристики как чистый продукт. В современных же маслах производители доводят содержание присадок иногда до 28 % и более. Но их количество, комплексность, сбалансированность и совместимость были достигнуты в лабораторных условиях.

Способность моторного масла выполнять многочисленные функции проверяется в основном путем испытаний в двигателях на стендах по стандартным процедурам классификационных испытаний, а также методами лабораторных испытаний ряда физико-химических свойств. Некоторые фирменные спецификации включают как обязательный этап эксплуатационные испытания.