Файл: Топливо и смазочные материалы.pdf

67 металлические детали от атмосферной коррозии.
5.2 ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МОТОРНЫХ МАСЕЛ
Важнейшими эксплуатационными свойствами моторных масел являются: вязкостно-температурные
(вязкость, индекс вязкости, температура застывания), противоизносные, противоокислительные, диспергирующие (моющие), коррозионные и др.
Вязкостьюназывается 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 0
С вязкость масла может изменяться в
250 раз. На рисунке 9, на сетке с логарифмическими координатами показана зависимость вязкости от температуры. Учитывая линейный характер зависимости, можно по номограмме определить вязкость масла при любой температуре.
Рисунок 9 – Номограмма для определения вязкости масла при различных
его температурах в двигателе

68
С повышением давления вязкость масла возрастает. Величины давления в масляной пленке, заключенной между трущимися поверхностями, могут быть значительно выше, чем сами нагрузки на эти поверхности. В масляной пленке коренного подшипника колен- чатого вала двигателя величина давления достигает 500 МПа.
Зависимость вязкости масла от давления определяют по уравнению
Гуревича:
V
P
= V
0
(1 +KP), (10) где V
0
и V
P
- соответственно вязкость при давлении 0,4 МПа и Р, мм
2
/с;
К - 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)·10 3
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 мм
2
/с (Сст) при температуре
100 °С, которая принята в качестве средней температуры масла в двигателе (картер, система смазки).
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, за- зоры увеличены или условия эксплуатации характеризуются высокой запыленностью, повышенной температурой, изменяющимися в больших пределах нагрузками.

69
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 0
С до -30 0
С резко увеличивается момент сопротивления проворачиванию коленчатого вала двигателя, медленнее достигается минимальная пусковая частота вращения, ухудшается подача масла к трущимся поверхностям деталей.
Для получения масел с хорошими вязкостно-температурными свойствами в качестве базовых используют маловязкие масла, имеющие вязкость менее 5 мм
2
/с при температуре +100 0
С, и добавляют в них вязкостные присадки (загустители). В качестве присадок применяют такие полимерные соединения, как полиизобутилен, полиметакрилаты, полиалкилстиролы и др.
Рисунок 10 – Влияние вязкостной присадки на вязкость масла при
различных температурах: 1 – маловязкое масло; 2 – то же самое масло с
вязкостной присадкой (загущенное)

70
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 0
С, пологой кривой изменения вязкости (рис. 10) 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.
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 загу- щенных 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. Экономия топлива достигает 5 % при больших пробегах и 15 % при коротких пробегах в зимнее время с частыми пусками двигателя (рис. 11).
Рисунок 11 – Снижение расхода бензина при движении автомобиля по
мере прогрева двигателя до рабочей температуры
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.

71
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. 12), расчетным путем или по специальным таблицам. Для определения ИВ по номограмме необходимо знать значения кинематической вязкости масла при температурах +50 °С и +100 0
С.
Чем выше ИВ, тем более пологой кривой (рис. 13) характеризуется масло и тем лучше его вязкостно-температурные свойства. Из двух масел с одинаковой вязкостью при температуре +100 0
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.
Рисунок 12 – Номограмма для определения индекса вязкости моторных
масел

72
Рисунок 13 – Зависимость вязкости моторных масел от температуры
для различных значений индекса вязкости: 1 – ИВ 90; 2 – ИВ 140
Застывание— свойство, определяющее потерю текучести масла.
При понижении температуры до определенной величины текучесть масла снижается, а при дальнейшем понижении оно застывает. С увели- чением вязкости масла из него выделяются наиболее высокоплавкие углеводороды (парафин, церезин), 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. Нижний температурный предел применения масла примерно на 8-12 °С выше температуры застывания.
Снижения температуры застывания масел добиваются путем депарафинизации (частичного удаления парафинов) или добавлением присадок депрессаторов в процессе их производства. Депрессаторы предотвращают образование кристаллической решетки, когда кристаллы парафина объединяются в объемные структуры. Понижая температуру застывания масла, депрессаторы не влияют на его

73 вязкостные свойства.
Противоизносные (смазывающие) свойствахарактеризуют спо- собность масла препятствовать износу поверхностей трения, образо- ванию на трущихся поверхностях прочной пленки, исключающей непо- средственный контакт деталей. Высокие противоизносные свойства масла особенно востребованы при небольших частотах вращения ко- ленчатого вала, когда высоки удельные нагрузки, а также когда геомет- рические формы или размеры деталей имеют существенные отклоне- ния, что чревато задирами, схватыванием и разрушением трущихся по- верхностей.
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).
Противоокислительные свойствахарактеризуются стойкостью масла к окислению, полимеризации и алкилированию в процессе работы двигателя, а также разложению при хранении и транспортиро- вании.
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 0
С, сохраняют свои первоначальные свойства в течение 5 лет. Начиная с 50-60 0
С, скорость

74 окисления удваивается с увеличением температуры на каждые 10 0
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 0
С для бензиновых двигателей и около 500-700 0
С для дизелей) резко ухудшают условия их работы. Повышение тепловой напряженности моторных масел связано также с отдельными конструктивными решени- ями: 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 мето- дом оценки прочности масляной пленки.
Для замедления реакций окисления и уменьшения образования отложений в двигателе в масла вводят противоокислительные присадки.
Диспергирующим (моющим) свойствоммасла 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 присадкибывают 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. Без- зольные моющие присадки не образуют золы при сгорании масел, так как не содержат металлов.
Коррозионные свойствамасел зависят от наличия в них органических кислот, перекисей и других продуктов окисления, сернистых соединений, неорганических кислот, щелочей и воды.
Коррозионность свежего масла, в котором присутствуют природные органические кислоты и сернистые соединения,

75 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 вы- делению 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.