Вязкостные свойства. Под вязкостью жидкости следует понимать объемное свойство жидкости оказывать сопротивление относительному перемещению ее слоев под действием внешней силы. Препятствие перемещению слоев жидкости создают силы межмолекулярного притяжения. Внешне вязкость масла характеризует его текучесть. Это проявляется в степени подвижности масла — чем меньше вязкость, тем масло подвижнее. Вязкость определяет поведение масла при работе двигателя при различных режимах его работы. Вязкость масла зависит от температуры и давления. Изменение вязкости от температуры характеризует вязкостно-температурные свойства масла. С уменьшением температуры вязкость масла увеличивается и при достижении ее определенных значений (для каждого масла свои) масло вообще может потерять подвижность. Температура, при которой масло теряет подвижность, называется температурой застывания масла. Высокая вязкость затрудняет протекание масла по масляным каналам и подачу его к трущимся поверхностям. В результате чего при пуске двигателя сопряженные детали могут оказаться в режиме трения без смазочного материала, что скажется на повышении их износа. Кроме того, высокая вязкость масла оказывает повышенное сопротивление вращению и перемещению сопряженных узлов и деталей, разделенных слоем смазки, вызывая большие потери мощности на трение, в результате чего повышается расход топлива.

С повышением температуры вязкость масла уменьшается. Низкая вязкость масла может привести к режиму «масляного голодания», вытеканию его из узла трения через уплотнительные соединения. При выборе масла стремятся к тому, чтобы изменение его вязкости в заданном диапазоне температур было бы незначительным. Характер изменения вязкости от температуры определяют по вязкостно-температурной кривой. Более пологое протекание этой кривой, т. е. меньшее изменение вязкости, характеризует лучшие вязкостно-температурные свойства масла, которые могут одновременно обеспечить надежную смазку узла трения при низких и при высоких температурах.

Вязкость масла во многом определяет возможность достижения необходимой частоты вращения вала двигателя при пуске, которая при температуре окружающего воздуха —10…—20 °С составляет 35…50 мин“1 для карбюраторных двигателей и 100…200 мин-1 —для дизельных. По этому свойству особые требования предъявляются к маслам для двигателей, работающих в условиях Крайнего Севера. Северные масла должны обеспечивать: прокру-чиваемость коленчатого вала двигателя с пусковыми частотами вращения от штатных пусковых систем, достаточную прокачиваемость по маслопроводам, заправку маслом и проведение складских операций по сливу-наливу до температуры —45…—50 °С без применения средств подогрева.

Не менее важны значения вязкости масла и характер ее изменения при работе двигателя с высокими рабочими температурами. В этих условиях масло должно сохранять достаточную вязкость, чтобы гарантировать устойчивую масляную пленку между трущимися поверхностями.

По уровню вязкости масла изготавливают летних и зимних сортов. В настоящее время выпускаются всесезон-ные масла, вязкостно-температурная характеристика которых обеспечивает надежную работу двигателя в широком диапазоне рабочих температур. Вязкость определяют как силу внутреннего трения, равную по величине и обратную по направлению силе, приложенной извне. Вязкость оценивают в абсолютных и условных единицах. Наибольшее распространение получило выражение вязкости в абсолютных единицах: кинематическая вязкость и динамическая вязкость.

За единицу динамической вязкости в системе СИ принят Паскаль в секунду—Па-с (в системе измерений СГС единицей динамической вязкости является пуаз —П). Чаще всего динамическую вязкость определяют для трансмиссионных масел. Измерение вязкостей производят с помощью приборов-вискозиметров различного типа: капиллярных, ротационных, шариковых и т. п.

Вязкостно-температурные свойства масел или «пологость» вязкостно-температурной кривой могут быть выпажены безразмерной величиной — индексом вязкости (ИВ), характеризующим по стандартной шкале понижение вязкости масла при повышении температуры. Индекс вязкости находят расчетным путем — отношением вязкости масла при 50 °С к вязкости при 100 °С. Чаще всего ИВ определяют по номограмме или по специальным таблицам. Для современных товарных масел ИВ находится в пределах 90…125, а для перспективных — 140 ед. Чем выше индекс вязкости масла, тем более полого протекает кривая его вязкости с изменением температуры и тем лучше вязкостно-температурная характеристика.

Для улучшения вязкостных свойств к базовым маслам добавляют специальные присадки.

Смазочные свойства. Смазочные свойства масел являются обобщением ряда их свойств, влияющих на процессы трения и износа трущихся поверхностей. К смазочным свойствам относятся: антифрикционные, влияющие на величину трения трущихся деталей; противо-износные, уменьшающие износ трущихся деталей в условиях нормальных нагрузок; противозадирные, предохраняющие трущиеся поверхности от задира и заедания в условиях высоких нагрузок и температур.

Смазочные свойства определяются терминами «смазывающая способность масел», «липкость» и «маслянистость», которые являются тождественными.

Смазывающая способность масел является важным свойством масла при граничной смазке. Образование граничной пленки может происходить путем адсорбции (прилипания) полярно активных компонентов масла или химического взаимодействия активных элементов масла с металлом. При адсорбции пленка разобщает трущиеся детали настолько, что они перестают непосредственно касаться друг друга. Это свойство называют расклинивающим. Расклинивающее действие возникает на основе прочной связи молекул поверхностно-активных веществ с поверхностью трения, в результате чего граничная пленка как бы сопротивляется своему «утончению». В ней развивается противодавление, стремящееся вызвать отталкивание поверхностей, разделенных пленкой. Смазочные свойства могут быть выражены различными показателями, такими, как коэффициент трения, нагрузка, температура, под действием которых разрушается масляная пленка (в отдельных случаях разрушаются трущиеся поверхности), а также величиной износа деталей.

Наибольшее распространение для оценки смазывающих свойств масел получил метод четырехшариковой машины трения (ЧШМ) ГОСТ 9490—75, узел трения которой показан на рис. 34. Он состоит из четырех шариков, три из которых зажаты кольцом на неподвижной обойме, а четвертый помещают сверху в центр трех шариков и закрепляют в патрон, который прижимают с определенной силой к остальным шарикам. Узел трения помещают в сосуд с маслом. Патрон с верхним шариком вращают с заданной частотой. Критериями оценки смазывающих свойств испытуемого масла являются износ (Ди), критическая нагрузка (Рк), нагрузка сваривания (Рс) и индекс задира (#3).

Однако наиболее достоверными методами оценки про-тивоизносных свойств масел являются контактные и бесконтактные методы замеров износа деталей. К контактным методам относятся микрометрирование, профилографи-рование и метод искусственных баз (нарезание лунок).

К бесконтактным относятся методы, основанные на спектральном и физико-химическом анализах масел по определению в них железа и других металлов, а также метод активации масел или метод поверхностной активации участка детали. Для улучшения противоизносных свойств в масла добавляют специальные противоизнос-ные и противозадирные присадки.

Антиокислительные свойства. При работе в двигателе масло с большой скоростью циркулирует по замкнутому кругу: из картера к трущимся деталям и, стекая с них, попадает снова в картер. При этом оно непрерывно соприкасается с кислородом воздуха, различными металлами и сплавами, а также горячими газовыми потоками. Температура различных участков поршней составляет 200… 300 °С для карбюраторных и 210…350 °С для дизельных двигателей.

Удельные давления в паре кулачок — толкатель карбюраторных двигателей составляют в среднем 7000 кгс/см2, у других двигателей они достигают 10…15 тыс. кгс/см2.

Температура тарелок выпускных клапанов в современных двигателях достигает 950 °С, а стержней выпускных клапанов 450 °С. В таких условиях масло неизбежно окисляется. В результате образуются сложные продукты окисления. К начальным продуктам окисления следует отнести спирты, кислоты, альдегиды. Продукты более глубокого окисления составляют смолы, асфальтены, карбены и карбоиды.

Скорость окисления и характер образующихся продуктов зависят от химического состава масла, температуры, величины поверхности соприкосновения масла с кислородом, наличия катализаторов. Окисление в объеме масла (в картере) протекает медленнее, чем в тонком слое (на поверхностях деталей), так как доступ кислорода к нижним слоям затруднен. На тех деталях двигателя, где тонкий слой масла нагревается до высокой температуры, окисление происходит особенно глубоко, с образованием углеродистых отложений. Быстрее всего масло окисляется в распыленном состоянии (масляный туман в картере), так как в этом случае поверхность контакта мельчайших капель масла с кислородом воздуха самая большая. Мелкие частицы износа металлических деталей двигателя являются катализаторами, ускоряющими процесс окисления. Происходящие процессы окисления повышают опасность термического и механического разрушения масляной пленки на сопряженных парах трения двигателя, что приводит к нарушению нормальной работы двигателя (залеганию и закоксовыванию поршневых колец, прогару головок поршней и т. п.). В процессе окисления в масле накапливаются коррозионно-агрессивные по отношению к металлам продукты, образуется большое количество твердых частиц, затрудняющих циркуляцию масла, а на трущихся поверхностях образуются отложения. Основными видами отложений являются лаки, нагары, осадки. Способность масла противостоять изменению своих свойств под воздействием кислорода, температуры и других факторов называется химической стабильностью. Масла, стойкие к действию кислорода при высокой температуре, обладают термоокислительной стабильностью.

Методы оценки антиокислительных свойств масла основаны на продувке масла кислородом или воздухом в присутствии катализатора. Стабильность масла к окислению выражают различными показателями. В одних случаях это количество кислорода, поглощаемого маслом при окислении в заданных условиях, в других это степень изменения физико-химических показателей масла при его окислении.

Для снижения склонности масел к окислению в них вводят антиокислительные присадки.

Моющие свойства. При работе масла в двигателе происходят изменения свойств масла, в результате которых на деталях осаждаются и накапливаются отложения различного рода осадков, нарушающие нормальную работу двигателя. Способность масла обеспечить необходимую чистоту деталей работающего двигателя называют моющими свойствами. Термин «моющие» свойства является до некоторой степени условным, так как масло не смывает (не моет) с деталей нагар, лаковые и другие отложения, а лишь препятствует (или замедляет) их образованию в масле и осаждению (прилипанию) на деталях двигателя. Мелкие частицы смолисто-асфальтовых веществ находятся во взвешенном состоянии в циркулирующем масле. Эти частицы, встречаясь друг с другом, соединяются и образуют крупные частицы (конгломераты), которые затрудняют прохождение масла через масляные каналы и фильтры. Способность препятствовать слипанию углеродистых (смолисто-асфальтовых) частиц и удерживать их в состоянии устойчивой суспензии принято называть диспергирующей способностью.

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 карбюраторных двигателей составляют 0,5….1,0 балл.

Простейшим способом определения диспергирующей способности работавшего масла является метод «масляного пятна» (бумажной хромотографии). Сущность метода заключается в нанесении капли работавшего масла на беззольный бумажный фильтр (фильтровальную бумагу) и определения характера хромотограммы.

На рис. 35 изображена схема масляного пятна. На хромотограмме следует различать:
1 — центральное ядро, соответствующее расплыву капли на поверхности фильтровальной бумаги; эта зона позволяет судить о степени загрязненности масла углеродистыми частицами;
2 — кольцевую зону, очерченную нерастворимыми в масле продуктами окисления масла;
3 — зону диффузии, образованную в результате прохождения нерастворимых частиц через поры фильтровальной бумаги. Зона диффузии говорит об остаточной диспергирующей способности.

Оценку полученных хромотограмм можно вести двумя способами — расчетом или в баллах.

Чистые минеральные масла не обеспечивают моющего действия. Поэтому для получения моющего эффекта к маслам добавляются специальные моющие присадки.

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.

Противокоррозионные свойства. В работающем масле в результате окисления накапливаются кислые продукты, вызывающие коррозию металлических деталей двигателя, особенно из цветных металлов и их сплавов.

В дизельных двигателях в результате сгорания дизельных топлив образуются окислы серы, а в контакте с влагой — серная и сернистая кислоты, очень агрессивные по отношению к металлам, особенно к цветным.

Вода является средой для возникновения и протекания электрохимических процессов и катализатором процесса окисления масла.

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 допускается).

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. Наиболее распространенными являются методы: Пинкевича, ПЗЗ и ДК-3.

Для защиты металлов от коррозии и торможения коррозионных процессов необходимо к маслам добавлять противокоррозионные присадки в сочетании с ингибиторами коррозии.

Защитные свойства. При хранении масел, а также в период эксплуатации автомобилей в масло может попадать вода, водяные пары и конденсация влаги. В результате чего развиваются процессы электрохимической коррозии.

Под защитными свойствами смазочного материала понимается его способность защищать поверхность металла от действия влаги, кислорода и других активных газов. Наиболее сильно атмосферная коррозия может проявляться при длительных перерывах в работе. Так, износ автомобилей, находящихся на длительном хранении во влажной атмосфере, по сравнению с износом автомобилей непрерывной эксплуатации больше в 1,5…2 раза. Иногда коррозионные разрушения при длительном хранении превосходят естественное изнашивание.

Особенно важно защитить трущиеся поверхности. Защита слоем смазочного материала складывается из простой физической изоляции от агрессивных веществ и способности активных компонентов смазочных материалов (или ингибиторов коррозии) формировать на поверхности металла адсорбированную или химическую пленку, стойкую в отношении коррозионных агентов.