<<< ОГЛАВЛЕHИЕ >>>

Тема 3.2. «Свойства моторных масел»

Важнейшими эксплуатационными свойствами моторных масел являются: вязкостно - температурные (вязкость, индекс вязкости, температура застыва­ния), противоизносные, противоокислительные, диспергирующие (моющие), коррозионные и др.

Вязкостью называется свойство жидкости оказывать сопротивление при пе­ремещении ее слоев под действием внешней силы. Это свойство является след­ствием трения, возникающего между молекулами жидкости. Различают динами­ческую и кинематическую вязкость.

Вязкость существенно меняется с изменением температуры. С понижением температуры взаимодействие между молекулами усиливается, и вязкость мас­ла увеличивается. Так, например, при изменении температуры на 100 °С вяз­кость масла может изменяться в 250 раз. На рис. 2.3 на сетке с логарифми­ческими координатами показана зави­симость вязкости от температуры. Учитывая линейный характер зависи­мости, можно по номограмме опреде­лить вязкость масла при любой темпе­ратуре.

С повышением давления вязкость масла возрастает. Величины давления 8 масляной пленке, заключенной между трущимися поверхностями, могут быть значительно выше, чем сами на грузки на эти поверхности. В масляной пленке коренного подшипника колен­чатого вала двигателя величина давления достигает 500 МПа.

Зависимость вязкости масла от давления определяют по уравнению Гуревича:

Рис.2.3. Номограмма для определения вязкости масла при различных его температурах двигателя.

ν_p = ν₀(1 + k P),

где : ν_p и ν₀ - соответственно вязкость при давлении 0,4 МПа и Р, мм² / с;
k - коэффициент для нефтяных ( минеральных) масел (к =0,025).

С повышением давления вязкость более жидких масел (с пологой вязкостно - температурной характеристикой) возрастает в меньшей степени, чем более вяз­ких масел (с более крутой вязкостно - температурной характеристикой).

При давлении (1,5-2,0)103 МПа минеральное масло затвердевает. Вводимые присадки в базовое масло способствуют сохранению несущей способности мас­ляного слоя при увеличении нагрузки.

Вязкость является основным параметром при подборе масла, поэтому она всегда указана в маркировке масла. Для маркировки вязкость определяют при тех температурах, при которых работают узлы трения. Моторные масла для дви­гателей внутреннего сгорания маркируют по кинематической вязкости мм²/ с  (Сcт) при температуре 100 °С, которая принята в качестве средней температуры масла в двигателе (картер, система смазки).

Для получения масел с хорошими вязкостно - температурными свойствами в качестве базовых используют маловязкие масла, имеющие вязкость менее 5 мм²/с при температуре +100 °С, и добавляют в них вязкостные присадки (загус­тители). В качестве присадок применяют такие полимерные соединения, как полиизобутилен, полиметакрилаты, полиалкилстиролы и др.

С понижением температуры объем макромолекул полимера уменьшается, молекулы «свертываются» в клубки. При повышении температуры клубки мак­ромолекул «разворачиваются» в длинные разветвленные цепи, присоединяя мо­лекулы базового масла, объем их становится больше, и вязкость масла возрас­тает.

Загущенные присадками масла обладают необходимым уровнем вязкости при положительных температурах 50-100 °С, пологой кривой изменения вязко­сти (рис. 2.4) и, следовательно, высо­ким индексом вязкости, равным 115-140. Такие масла получили назва­ние всесезонных, так как имеют одно­временно свойства одного из зимних классов и одного из летних.

Рис.2.4. влияние вязкости присадки на вязкость масла при различных температурах: 1 – маловязкое масло; 2 – то же масло с вязкостнойприсадкой (загущенное)

В системах смазки современных автомобильных двигателей применя­ются именно загущенные всесезонные масла. При их использовании мощ­ность двигателя повышается на 3-7 % (что обеспечивается высоким индек­сом вязкости и способностью загу­щенных масел снижать вязкость в па­рах трения при высоких скоростях сдвига), облегчается пуск и сокращается время прогрева, снижаются механические потери на трение, и, как следствие, расход топлива, увеличиваются долговечность деталей и срок службы масел.

Рис.2.5. Снижение расхода бензина при движении автомобиля при мере прогрева двигателя

Экономия топлива дос­тигает 5 % при больших пробегах и 15 % при коротких пробегах в зимнее время с частыми пусками двигателя (рис. 2.5).

К недостаткам загущенных масел относят низкую стабильность загущен­ных присадок при высоких температу­рах, что вызывает ухудшение вязкост­но - температурных характеристик масел при длительной бессменной работе их в двигателях.

Индекс вязкости (ИВ), оцениваю­щий вязкостно - температурные свойства масел, является условным показате­лем, характеризующим степень изменения вязкости масла в зависимости от температуры и определяемый путем сравнения вязкости данного масла с двумя эталонными маслами, вязкостно - температурные свойства одного из которых приняты за 100, а второго — за 0 единиц.

Индекс вязкости определяют по номограмме (рис. 2.7), расчетным путем или по специальным таблицам. Для определения ИВ по номограмме необходимо знать значения кинематической вязкости масла при температурах +50 °С и +100 °С.

Чем выше ИВ, тем более пологой кривой (рис. 2.8) характеризуется масло и тем лучше его вязкостно - температурные свойства. Из двух масел с одинако­вой вязкостью при температуре +100 °С, но с разными ИВ, одно (1) можно при­менять только в теплое время, так как при низких температурах оно теряет под­вижность, а другое (2) — всесезонно, так как оно обеспечит легкий пуск двига­теля при низких температурах воздуха и жидкостное трение при рабочих тем­пературах.

Учитывая то обстоятельство, что вязкость масла и индекс вязкости опре­деляют работоспособность узла трения, то в стандартах на масла эти параме­тры нормируются в количественном выражении. Для автомобильных масел ИВ должен быть не ме­нее 90.

Застывание — свойство, определяющее потерю текучести масла. При понижении температуры до определенной величины текучесть масла снижается, а при дальнейшем понижении оно застывает. С уве­личением вязкости масла из него выделяются наи­более высокоплавкие углеводороды (парафин, цере зин), а при полной потере текучести масла микро­кристаллы твердых углеводородов (парафина) обра­зуют пространственную кристаллическую решетку, связывающую все масло в единую неподвижную массу.

Температуру, при которой масло теряет текучесть, называют температурой застывания.

Рис.2.6. универсальное всесезонное моторное масло «ЛУКОЙЛ - Стандарт»

Рис. 2.7. Номограмма для определения индекса вязкости моторных масел

Нижний температурный предел применения масла примерно на 8-12 °С выше темпе­ратуры застывания, т.е.:

t 0 B = t 3 -(8-12) ° C,

где: t ов - нижний температурный предел окружающего воздуха (применения данной марки мо­торного масла) °С; t 3 - температура застывания определенной марки масла, регламентируемая стандартом, °С

Снижения температуры застывания масел добиваются путем депарафиниза-ции (частичного удаления парафинов) или добавлением присадок-депрессоров в процессе их производства. Депрессоры предотвращают образование кристал­лической решетки, когда кристаллы парафина объединяются в объемные структуры. Понижая температуру застывания масла, депрессоры не влияют на его вязкостные свойства.

Рис.2.8. Зависимость вязкости моторных масел от температуры для различных значений индекса вязкости: 1 – ИВ 90; 2 – ИВ 140

Противоизносные (смазываю­щие) свойства характеризуют способ­ность масла препятствовать износу по­верхностей трения. Образующаяся нетрущихся поверхностях прочная пленка исключаетне посредственный 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.

Противоизносные свойства масла зависят от его вязкости, вязкостно- температурной характеристики, смазы­вающей способности, чистоты масла.

С повышением температуры масла адсорбционный слой ослабляется, а при достижении критической температуры 150-200 °С, на грани прочности пленки и сухого трения, разрушается. Масла с высокими противоизносными свойствами способны формировать для предупреждения изнашивания такой режим трения, который исключает непосредственный контакт трущихся поверхностей метал­лов. Поэтому возможное в данном случае изнашивание вызывается циклично­стью нагрузок на отдельных участках поверхностей трения и усталостными раз­рушениями металла (усталостные трещины в галтелях коленчатых валов).

О смазывающей способности («маслянистости») масла судят по его химическому составу, вязкости, наличию присадок. На маслянистость влияют содержащиеся в маслах и обладающие высокими поверхностно-активными свойствами смолистые вещества, высокомолекулярные кислоты, сернистые соединения.

Рис.2.9. Всесезонное моторное масло на минеральной основе «ТНК Дизель Супер»

Рис.2.10. Универсальное минеральное моторное масло « Юкос U-tech City»

Рис.2.11. Минеральное всесезонное универсальное моторное масло BP Visko 2000

Правильный выбор вязкости масла в значитель­ной мере влияет на скорость изнашивания. Высоко­вязкие масла при низкой температуре загустевают и плохо поступают к трущимся поверхностям деталей. В то же время пуск и прогрев двигателя на менее вязких (жидких) маслах облегчается, режим жидко­стного трения наступает быстрее.

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 металлов 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.

Противоокислительные свойства характери­зуются стойкостью масла к окислению и полимери­зации в процессе работы двигателя, а также разло­жению при хранении и транспортировании.

Продолжительность работы масла в двигателе зависит от его химической стабильности, под ко­торой понимается способность масла сохранять свои первоначальные свойства и противостоять внешнему воздействию при нормальных температу­рах.

На стабильность моторных масел оказывают влияние следующие факторы: химический состав, температурные условия, длительность окисления, каталити­ческое действие металлов и продуктов окисления, площадь поверхности окисле­ния, присутствие воды и механических примесей. Повышенное давление возду­ха ускоряет процесс окисления масла, так как усиливается процесс его взаимной диффузии с воздухом.

На процесс окисления решающее влияние оказывает температура. Масла, хранящиеся при температуре 18-20 °С, сохраняют свои первоначальные свой­ства в течение 5 лет. Начиная с 50-60 °С, скорость окисления удваивается с увеличением температуры на каждые 10 °С. Поэтому высокая тепловая напряженность деталей форсированных двигателей, с которыми приходится конта­ктировать моторному маслу, и взаимодействие с прорывающимися в картер газами из камер сгорания (на такте сжатия их температура составляет около 150-450 °С для бензиновых двигателей и около 500-700°С для дизелей) резко ухудшают условия их работы.

Рис.2.12. Универсальное всесезонное минеральное моторное масло Consol SF / CC

Рис.2.13. Всесезонное моторное масло на минеральной основе Castrol GTX

Повышение тепловой напряженности моторных масел связано также с отдельными конструктивными решениями: использование наддува; применение герметизированной системы охла­ждения (увеличивает темпера­туру поршня на 10-20 °С); уменьшение объема системы смазки двигателя; масляное ох­лаждение поршней и др.

Термоокислительную ста­бильность определяют как устой­чивость масла к окислению в тон­ком слое при повышенной температуре методом оценки прочности масляной пленки.

Для замедления реакций окисления и уменьшения образования отложений в двигателе в масла вводят противоокислительные присадки.

Детергентно — диспергирующим (моющим) свойством масла назы­вают его способность препятствовать слипанию углеродистых частиц и удерживать их в состоянии устойчивой суспензии, что значительно снижает процессы образования лаковых отложений и нагара на горячих поверхностях деталей двигателя.

При использовании масел с хорошими диспергирующими свойствами де­тали двигателей выглядят чистыми, как бы вымытыми, отсюда и появление тер­мина «моющие».

Диспергирующие свойства масел оценивают в баллах от 0 до 6 по методу ПЗВ. Образование лаковых отложений на деталях двигателя, работающего на маслах с моющими присадками, уменьшается в 3-6 раз, т.е. с 3-4,5 до 0,5-1,5 балла.

Моющие присадки бывают зольными и беззольными. Зольные присадки содер­жат бариевые и кальциевые соли сульфикислот (сульфонаты), а также алкилфеноляты щелочноземельных металлов бария и кальция. Масла с зольными присадками в количестве 2-10 %, сгорая, образуют золу, прилипающую к поверхности деталей. Без­зольные моющие присадки не образуют зо­лы при сгорании масел, так как не содержат металлов.

Коррозионные свойства масел зависят от наличия в них органических кислот, пере­кисей и других продуктов окисления, щелочей и воды.

Рис.2.14. Минеральное моторное масло LiguiMoly Touring High Tech Motoroil (арт. 1946)

Рис.2.15. Минеральные моторные масла ESSO Uniflo, ESSo Uniflo Diesel

Коррозионность свежего масла, в котором присутствуют природные органические кислоты и сернистые соединения, незначительна, но резко возрастает в процессе эксплуатации. Присутствие в свежих маслах органических (нафтеновых) кис­лот связано с их неполным удалением в процессе очистки.

Коррозионное действие масел связано также с содержанием в них 15-20 % сернистых соединений в виде сульфидов и компонентов остаточной серы, которые при высоких температурах приводят к вы­делению сероводорода, меркаптанов и других ак­тивных продуктов. В условиях высоких температур

сернистые соединения особенно агрессивны по отношению к серебру, меди, свинцу. В процессе использования масла содержание кислот в нем возрастает в 3-5 раз, что зависит от его химической стабильности, содержания антиокислителей и условий работы.

Оценку коррозионной стойкости производят по кислотному числу, которое для свежих масел не превышает 0,4 мг КОН на 1 г масла. В коррозионном отно­шении эта концентрация практически не опасна.

Коррозионные процессы в двигателях замедляют нейтрализацией кислых продуктов путем введения антикоррозионных присадок; замедлением про­цессов окисления путем добавления в масла антиокислительных присадок; созданием на поверхности металла (при изготовлении деталей) стойкой за­щитной пассивированной пленки из органических соединений, содержащих серу и фосфор.

Известны присадки и ингибиторы коррозии и их композиции, которые снижа­ют все виды износа.

Подбор масла с оптимальными значениями эксплуатационных свойств за­висит от конструкции и режима работы узла трения.

Вязкость — одно из важнейших свойств масла, имеющее многостороннее эксплуатационное значение. От вязкости в значительной степени зависит режим смазки пар трения, отвод тепла от рабочих поверхностей и уплотнение зазоров, энергетические потери в двигателе, его эксплуатационные свойства. Быстрота пуска двигателя, прокачивание масла по системе смазки, охлаждение трущихся поверхностей деталей и их очистка от загрязнений также зависят от вязкостно-температурных свойств масла.

Масла повышенной вязкости используются для высоконагруженных, низко­оборотных или работающих в условиях напряженного теплового режима двига­телей. При этом, чем выше вязкость масла в работающем двигателе, тем Надежнее уплотнения, меньше вероятность прорыва газов, ниже угар масла. Поэтому масла с большой вязкостью применяют в случаях, когда двигатель изношен, Зазоры увеличены или условия эксплуатации характеризуются высокой запыленностью, повышенной температурой, изменяющимися в больших пределах нагрузками.

Масла с меньшей вязкостью применяют для легконагруженных высокооборотных двигателей. Они облегчают пуск двигателя, лучше прокачиваются по системе смазки и очищаются от механических примесей, обеспечивают хороший отвод тепла от рабочих поверхностей деталей.

Температура масла значительно влияет на его кинематическую вязкость. С понижением температуры вязкость увеличивается, а с повышением — уменьшается. Чем меньше перепад вязкости в зависимости от температуры, тем в большей степени масло удовлетворяет эксплуатационным требованиям.

Увеличение вязкости масел с понижением температуры приводит к значи­тельным трудностям при использовании автомобилей, особенно в зимнее время года при пуске двигателей. При отрицательных температурах в диапазоне от -10 °С до -30 °С резко увеличивается момент сопротивления проворачива­нию коленчатого вала двигателя, медленнее достигается минимальная пуско­вая частота вращения, ухудшается подача масла к трущимся поверхностям де­талей.

Надежный пуск бензиновых двигателей осуществляется при значениях час­тоты вращения коленчатого вала в пределах 35-50 мин^-1 при температуре окру­жающего воздуха -10 °С - 20 °С, а дизелей с различным способом смесеобра­зования — в среднем в интервале 100-200 мин^-1 при температуре 0 °С. Вязкость моторного масла, при которой пусковая система современных двигателей раз­личной конструкции не обеспечивает вращения коленчатого вала, изменяется в пределах (4-10)10³ мм²/с. Поэтому для обеспечения пуска двигателя в холодное время моторные масла должны обладать низкой вязкостью при отрицательных температурах.