§ 6.2. Вязкостные и депрессорные свойства масел

Вязкостные свойства являются важнейшим показателем, по ко­торому выбирают масло. Величина вязкости определяет смазочные и противоизносные свойства адсорбированной граничной пленки масла, затраты энергии на обеспечение пуска холодного двигателя и циркуляции масла в системе смазки, условия поступления масла к поверхностям трения на неустановившихся режимах работы и при пуске двигателя, отвод теплоты и механических загрязнений (в том числе продуктов износа) от деталей двигателя, эффективность уп­лотнения зазоров между поверхностями трения и т.д. Вязкость неф­тяных масел в значительной степени зависит от температуры. Количественно эта зависимость может быть оценена уравнением

где Г — температура, К; v — вязкость при температуре Т, мм² /с; А, В и а — постоянные для данного масла величины (обычно величину а принимают равной 0,8). О порядке величин можно судить по тому, что в диапазоне температур от 100 до 0°С вязкость некоторых масел увеличивается до 300 раз. Поэтому вязкость масла характеризуется двумя параметрами: значением вязкости при температуре 100°С (такую вязкость принято называть рабочей) и интенсивностью изме­нения вязкости при понижении температуры. Вязкость при 100°С определяет условия смазки при установившемся тепловом режиме двигателя; вязкость при температурах, меньших 0°С (низких тем­пературах),— возможность пуска холодного двигателя.

Вязкость масла по нижнему пределу ограничена возможностью снижения несущей способности масляного слоя и увеличением опас­ности нарушения заданного режима смазки на пусковых и переход­ных режимах работы двигателя; вязкость по верхнему пределу ограничена увеличением энергетических потерь на трение и прео­доление гидродинамических сопротивлений в трактах подачи масла, ухудшением его подачи к поверхностям трения. Поэтому масло дол­жно иметь оптимальную вязкость, незначительно изменяющуюся с изменением температуры.

Для обеспечения надежного пуска ДВС частота вращения колен­чатого вала должна быть не меньше определенной величины (рис. 6.2 и 6.3). Увеличение вязкости масла при отрицательных температурах обусловливает относительное уменьшение частоты вра­щения вала при пуске. Экспериментально установлено, что значительные затруднения в прокрутке двигателя от пусковой систе­мы возникают при вязкости масла свыше 5000 мм²/с (точные данные определяются конкретными характеристиками двигателя).

Среди условий обеспечения пуска при низких температурах существует понятие критической вязкости масла — вязкости, при которой индикаторная мощность, развиваемая двигателем, равна мощности, необходимой для преодоления сопротивления трения, обусловливаемого вязкостью масла. Пуск двигателя при температу­рах масла, равных или меньших, чем температура, соответствующая

критической вязкости, невозможен. Нужно отметить, что повы­шением мощности пусковых систем можно при их достаточно длительной работе обеспечить непосредственно на поверхностях трения прогрев масла и снижение его вязкости ниже критической, а, следовательно, и пуск двигателя. Но, если не будут предприняты меры по снижению масляного голодания, износы при таком пуске будут недопустимо большими, вплоть до схватывания трущихся пар и выхода двигателя из строя.

С увеличением вязкости прокачиваемость масла ухудшается. Это объясняется в первую очередь увеличением гидравлических сопротивлений на входе в насос (сетка маслоприемника, маслозаборная трубка), из-за чего может возникнуть разрыв сплошности потока масла; попавшее в насос масло не полностью заполняет его рабочий объем, в результате чего уменьшается подача насоса; увеличение гидравлических сопротивлений масляной системы (особенно фильтра) вызывает повышение давления на выходе из насоса и уменьшение его объемного КПД (с соответствующим снижением подачи).

При ухудшении прокачиваемости возрастает вероятность возникновения масляного голодания отдельных узлов трения и их повышенного износа.

К конструкторским мероприятиям по повышению эффективности низкотемпературного пуска можно отнести: сведение к минимуму коэффициентов гидравлических сопротивлений маслоприемника и маслозаборной трубы; улучшение кавитационных характеристик мас­ляного насоса, повышение его подачи и объемного КПД; уменьшение высоты всасывания насоса; оптимизация расположения и величины давления срабатывания редукционного клапана, а также уменьшение гидравлических сопротивлений масляной системы двигателя.

Масляное голодание в той или иной степени всегда возникает при пуске двигателя, что видно из приведенных ниже данных.

На рис. 6.4 приведен график, характеризующий износ двигателя, эксплуатирующегося в условиях многократных пусков.

Изменение вязкости масла по температуре определяется его вяз­костно-температурной характеристикой (ВТХ) (рис. 6.5).

Для регламентации вязкостно-температурных свойств моторных масел используют различные способы, в частности:

ограничение вязкости по нижнему пределу при высокой темпе­ратуре (не ниже) и по верхнему пределу при низкой температуре (не выше), ограничение (не более) отношения вязкостей при различных температурах;

ограничение (не более) температурного коэффициента вязкости ТКВ_0-100 в диапазоне температур 0—100 °С, определяемого по формуле

,

где v₀, v₁₀₀, v₅₀ — соответственно величины вязкости масла при зна­чениях температур 0, 100, 50 °С.

Наиболее распространенным способом оценки ВТХ, используе­мым в большинстве современных отечественных и зарубежных нор­мативных документов, является показатель индекса вязкости (ИВ), который основан на сравнении ВТХ исследуемого масла и ВТХ двух эталонных масел. Одно из эталонных масел отличается высоким значением градиента изменения вязкости по температуре, т.е. оно обладает «плохой» (слишком «крутой») ВТХ. Этому маслу присвоен ИВ, равный нулю. Другое эталонное масло имеет малый градиент изменения вязкости по температуре, т.е. оно обладает «хорошей» (пологой) ВТХ. Этому маслу присвоен ИВ, равный 100. Следова­тельно, чем выше ИВ масла, тем меньше изменяется его вязкость по температуре, тем более оно пригодно для эксплуатации в зимних условиях.

Индекс вязкости можно определить расчетным или графическим способом. При расчете ИВ определяют по формуле

ИВ = (v — v₁)/(v— v₂),

где v — вязкость при 40 °С эталонного масла с ИВ = 0, имеющего при 200 °С такую же вязкость, что и у исследуемого масла, мм²/с; vi — вязкость исследуемого масла при 40 °С, мм /с; V2 — вязкость при 40 °С эталонного масла с ИВ = 100, имеющего при 100 °С такую же вязкость, что и у исследуемого масла.

Графический способ основан на использовании номограммы (рис. 6.6). С помощью этой номограммы по заданным значениям вязкости исследуемого масла при температурах 50 и 100°С можно определить его ИВ.

У нефтяных масел характер протекания ВТХ зависит от их фракционного и группового составов. Для веществ с одинаковым числом углеродных атомов в порядке увеличения градиента вязкости по температуре последовательность углеводородных групп можно представить следующим образом:

парафиновые -» нафтеновые -» ароматические углеводороды.

Характерная особенность базовых нефтяных масел состоит в том, что их вязкость особенно сильно изменяется при низких температурax. ИВ этих масел лежит в диапазоне 70—100 (большие значения для масел, полученных гидрокрекингом).

Установлено статистическое правило, справедливое для всех масел одинакового состава: чем ниже вязкость масла, тем более полога его ВТХ. Нефтяные масла с вязкостью при 100°С менее 5 мм /с имеют достаточно пологую ВТХ для обеспечения надежного пуска при отрицательных температурах, однако их вязкость при рабочей температуре мала. Для устранения этого недостатка моторных масел их загущают — в масла вводят вязкостные (загущающие) присадки. Масла с такими присадками называют загущенными. Их ИВ увеличивается до ПО и более. Разработка теории и практики исполь­зования загущенных масел осуществлена в СССР в конце 40-х годов. Лишь через несколько лет такие масла появились за рубежом. Сей­час загущенные масла занимают ведущее место (в США 75 % от общего объема производства) в ассортименте ТиС промышленно развитых стран.

Механизм воздействия вязкостных присадок можно объяснить изменением формы молекул присадки: при повышенной температуре обладающая большими линейными размерами молекула (макромоле­кула) имеет вид длинной разветвленной цепи и присоединяет силами адгезии ко всей своей поверхности окружающие ее углеводородные молекулы, обусловливая этим повышен­ную вязкость раствора. При снижении температуры молекула присадки «свер­тывается», ее поверхность уменьшается, соответственно снижаются силы межмоле­кулярного взаимодействия, а, следователь­но, и вязкость масла.

Загущенные масла сочетают пологую ВТХ, свойственную низкомолекулярным маловязким базовым маслам (рис. 6.7), с достаточно высокой вязкостью при ра­бочей температуре двигателя. Это дос­тигается тем, что в исходное низкотемпературное базовое масло, обла­дающее хорошей ВТХ, но слишком малой рабочей вязкостью (3 — 4 мм /с), вводят присадку, повышающую эту вязкость до необходимого уровня, сохраняя одновременно пологую ВТХ, а, следовательно, и свойственную базовому маслу небольшую вязкость при низких температурах. У загущенных масел есть дополнительное свойство, заключающееся в том, что вязкость масла зависит от скорости относительного перемещения трущихся поверхностей — так называемой скорости сдвига. При увеличении этой скорости разрушаются пространственные структуры полимерных макромолекул и макромолекулярные цепочки линейно ориентируются в направлении действующей силы. Вязкость масла при этом снижается. При уменьшении скорости сдвига полимерная структура восстанавливается и вязкость возрастает. Это временно увеличение, или «аномалия», вязкости имеет большое положительной значение для двигателей, эксплуатируемых в условиях севера.

Применение загущенного масла обеспечивает хорошие пусковые характеристики двигателя и позволяет экономить топливо путем снижения потерь на его прогрев. Сравнение ВТХ незагущенных и загущенных масел позволяет сделать вывод, что при прочих равных условиях загущенные масла обладают преимуществами по всем эксплуатационным диапазонам температур.

Так как масляное голодание зависит от вязкости масла, то при использовании загущенных масел уменьшается вероятность его возникновения. Вязкостные присадки обладают хорошими антифрикционными свойствами, благодаря чему потери на трение в двигателях, работающих на загущенных маслах, уменьшаются. В качестве примера загущающих присадок можно указать на присадки на основе органических полимеров — полиизобутена и полиметакрилата.

Основным недостатком загущенных масел является относительно низкая стабильность загущающих присадок под действием механических нагрузок или высоких температур и соответственно воз­можность ухудшения ВТХ масла при длительной бессменной работе в двигателе (рис. 6.8). Хорошие результаты по обеспечению низко­температурного запуска и экономии топлива дают загущенные масла с присадками модификаторов трения (дисульфид молибдена, кол­лоидальный графит, см. § 8.1). На основе загущенных масел выпу­скают всесезонные моторные масла, используемые как в летних, так и в зимних условиях эксплуатации.

Вязкость нефтяных масел зависит от давления (рис. 6.9). Дав­ление в масляной пленке, заключенной между двумя трущимися поверхностями, может быть значительно выше, чем нормальные нагрузки на эти поверхности. Например, при замерах в масляной пленке коренного подшипника коленчатого нала зафиксированы давления до 500 МПа. С увеличением давления вязкость масел воз­растает по экспоненте

где vo — вязкость масла при давлении 0,1 МПа; а = 0,23— 0,030 — коэффициент для нефтяных масел (большие значения соответст­вуют более вязким маслам); 0,1 — давление, МПа.

Приближенно зависимость изменения вязкости масла от давления определяют по уравнению

где vo и v_p — соответственно вязкость (мм /с) при давлениях 0,1 МПа и р; к » 0,025 — коэффициент для нефтяных масел.

Масла с более пологой ВТХ в меньшей степени увеличивают вязкость с повышением давления (менее чувствительны к давлению), чем масла с более крутой характеристикой.

Свойство нефтяных масел увеличивать вязкость при повышении давления определяется характеристиками базового масла и практически не изменяется при введении присадок. Это свойство имеет большое значение для саморегулирования условий трения при повышенных давлениях. Оно способствует повышению несущей спо­собности масляного слоя при увеличении нагрузки и препятствует вытеканию масла через торцы трущихся поверхностей.

Характерной особенностью нефтяных моторных масел является застывание при понижении температуры до определенного предела. Застывание характеризуется потерей маслом подвижности (теку­чести), что объясняется следующими взаимосвязанными явлениями: увеличением вязкости масла, выделением из жидкости кристаллов наиболее высокоплавких веществ (парафин и церезин) с образо­ванием при дальнейшем понижении температуры из этих кристаллов объемной структуры (каркаса) и адсорбцией на кристаллах молекул более низкоплавких жидких веществ.

Различают структурное застывание, при котором подвижность масла уменьшается из-за кристаллизации, и вязкостное засты­вание, при котором подвижность масла уменьшается из-за увеличения его вязкости.

Т емпература, при которой масло теряет подвижность, называется температурой застывания. Температуру застывания определяют путем охлаждения пробирки с маслом до температуры, при которой наклон пробирки на угол 45° не вызывает смещения уровня масла. Способность масла не терять подвижность до определенных темпе­ратур определяется его депрессорными свойствами.

Для снижения (депрессии) температуры, при которой масла теряют подвижность, к ним добавляют вещества, называемые депрессаторами. Соответственно присадки, вводимые в масло с целью понижения температуры его застывания, называют депрессорными.

Воздействие депрессорных присадок основано на том, что они препятствуют объединению кристаллов в объемные структуры, прерывая процесс застывания на стадии образования кристал­лов, т.е. депрессорные присадки понижают температуру структурного застывания масла, но не влияют на его вязкостное застывание. Наряду с этим отмечается значительное уменьшение размеров кристаллов, выделяющихся из раствора (рис. 6.10). Таким образом, моторные масла с депрессорными присадками при охлаждении до низких температур являются смесью, состоя­щей из чрезвычайно мелких кристаллов, взвешенных в жидком масле.

Депрессорные присадки наиболее эффективны в маловязких мас­лах, так как механизм потери текучести в них объясняется образо­ванием объемной структуры из кристаллов парафинов. Потеря текучести в высоковязких маслах объясняется не столько образо­ванием объемных структур, сколько вязкостным застыванием жидкости с понижением температуры.

Для изготовления депрессорных присадок используют продукты полимеризации некоторых углеводородов и кислородсодержащих соединений (полиметакрилаты, полиакриламиды и др.). Такие присадки помимо депрессорных обладают моющими и антикор­розионными свойствами. Добавление 0,5 % дспрессорной присадки снижает температуру застывания масла на 15 — 20 °С.