Вязкость относится к одному из основных показателей смазочных масел, так как от нее зависят гидродинамический режим смазки трущихся деталей и механические потери на трение в двигателе.

При гидродинамических расчетах узлов трения и оценке эксплуатационных свойств двигателя пользуются кинематической вязкостью, представляющей собой отношение динамической вязкости жидкости к плотности при температуре, для которой ведут расчет. В маркировке сорта масла указывают кинематическую вязкость, мм2/с, при температуре 100 °С. Например, масло М-10 имеет кинематическую вязкость 10 мм2/с при температуре 100 °С.

Вязкость масла возрастает при понижении температуры, что вызывает увеличение силы трения при гидродинамическом режиме смазки трущихся деталей. Наибольшая сила трения возникает в случае пуска холодного двигателя при низкой температуре окружающей среды, когда вязкость масла высокая и оно с трудом прокачивается насосом. Замедленное поступление масла к узлам трения может вызвать повышенный износ деталей и даже повреждение подшипников в период пуска двигателя.

Повышение вязкости с понижением температуры у разных масел происходит неодинаково и зависит от их физико-химических свойств. Зависимость вязкости от температуры в заданном ее интервале у маловязких масел меньше, чем у масел большой вязкости.

Для обеспечения нормальной работы двигателей в различных климатических условиях желательно, чтобы вязкость применяемых масел незначительно изменялась с температурой. Для оценки изменения вязкости масла в зависимости от температуры, помимо кинематической вязкости при температуре 100 °С, в технических условиях указывается кинематическая вязкость масла при 0 °С или отношение кинематической вязкости при 50 и 100 °С (v5o/vioo). Зная значение вязкости v масла для двух значений температур Т, с помощью специальной номограммы можно определить его вязкость при любой температуре. Для этого следует на номограмму нанести две соответствующие точки и соединить их прямой линией, которая будет характеризовать изменение кинематической вязкости данного масла в зависимости от температуры. Пример использования номограммы представлен на рис. 18.

Для относительной оценки вязкостно-температурных свойств разных масел с одинаковой кинематической вязкостью используется индекс вязкости. Индекс вязкости выражают в условных единицах. При его определении сравнивают кривую изменения вязкости в зависимости от температуры испытуемого масла с аналогичными кривыми двух эталонных масел, имеющих при температуре 100 °С ту же вязкость, что и испытуемое масло. Пологость кривых изменения вязкости масла оценивают при температуре 50 °С. Эталонное масло с наименьшей зависимостью вязкости от температуры (пологая кривая) оценивается индексом вязкости в 100 единиц, с наибольшей зависимостью (крутая кривая) — в 0 единиц. Индекс вязкости определяют по специальным номограммам или таблицам. Моторные масла имеют индекс вязкости не менее 90… 125 единиц. Масла с большим значением индекса вязкости применяют для двигателей, работающих при низкой температуре окружающей среды.

Синтетические масла — органические или элементно-органические соединения, применяемые в качестве смазочных масел. Например, силиконовые масла — соединения, содержащие чередующиеся атомы кремния и кислорода; кремний связан также с органическими радикалами, водородом или галогенами. Синтетические моторные масла по термоокислительной стабильности, индексу вязкости (>160), температуре застывания (ниже — 60 °С) и другим эксплуатационным свойствам превосходят минеральные.

Масла большей вязкости применяют для более нагруженных двигателей или двигателей, работающих при повышенной температуре окружающей среды (летние условия, работа в жарких южных районах).

Вязкость масла влияет на прокачивае-мость его через зазоры в узлах трения, а следовательно, на отвод теплоты от трущихся поверхностей и охлаждаемых деталей и затраты мощности на привод масляного насоса. Масла с малой вязкостью при прочих равных условиях лучше отводят теплоту и быстрее выносят продукты износа трущихся деталей.

В результате насосного эффекта поршневых колец масло попадает в камеру сгорания и сгорает там. В камеру сгорания масло может проникнуть также через зазоры между стержнями клапанов и их направляющими. Сгоревшее масло придает выпускным газам специфическую окраску. От вязкости масла зависит его вы-гораемость, а следовательно, расход. Масла большей вязкости выгорают в меньшем количестве. Расход масла вследствие выгорания может достигать 85 % общего расхода масла в двигателе.

Маслянистость масла

Условия работы ряда сопряженных деталей таких, как, например, поршень — цилиндр, поршневое кольцо — цилиндр, не способствуют поддержанию устойчивого гидродинамического режима смазки, поэтому в этих узлах трение приближается к граничному. Условия граничного трения возникают также при недостаточном поступлении масла к узлам трения, при увеличении давления и температуры, понижении относительной скорости перемещения трущихся поверхностей, т. е. в основном при изменении режима- работы двигателя. Граничное трение зависит не от вязкости масла, а от содержания в масле поверхностно-активных веществ, способных адсорбироваться на трущихся поверхностях. Адсорбированная пленка препятствует непосредственному контакту трущихся поверхностей, что уменьшает силу трения и износ деталей.

Способность масла обеспечивать смазывающее действие в условиях граничного трения, когда коэффициент трения не зависит от вязкости масла, называется маслянистостью. Сравнительную оценку маслянистости различных масел производят по результатам их испытаний на машине трения. В качестве оценочных показателей используют размеры пятен износа деталей и моменты сил трения. Для форсированных двигателей и двигателей, работающих длительное время на неустановившихся режимах, желательно применять масла с высокой маслянистостью.

Старение масла

Смазочное масло при высоких температуре и давлении под влиянием кислорода воздуха и каталитического действия металлических поверхностей, загрязнения продуктами износа, попадания в него топлива и продуктов неполного сгорания, воды и внешней пыли, срабатывания присадок изменяет физические и химические свойства. Процесс старения свежего масла начинается непосредственно после его заливки в масляную систему и проявляется через непродолжительное время работы двигателя. В результате старения ухудшаются эксплуатационные свойства моторного масла и возникает необходимость его замены.

Продукты глубокого окисления и термического крекинга масла, появляющиеся в результате неполного сгорания его в цилиндре, откладываются на поверхности камеры сгорания, в том числе на клапанах, свечах зажигания, форсунках, и служат источником образования нагара. В состав нагара также входят продукты неполного сгорания топлива и тех веществ, которые попадают в камеру сгорания вместе с воздухом, топливом и маслом (пыль, влага, антидетонаторы, присадки к маслу, топливу и т. п.).

Расход моторных масел устанавливается в г/(кВт-ч) и зависит от назначения и типа двигателя.

Высокая маслянистость моторного масла предотвращает интенсивное изнашивание трущихся деталей при нарушении условий гидродинамического режима смазки.

Последовательно образующиеся микрослои нагара, ухудшая теплоотдачу к металлическим поверхностям, находятся под воздействием более высоких температур. При достижении на поверхности слоя нагара такой температуры, при которой вновь образующиеся продукты полностью сгорают или превращаются в сухие углистые вещества, не удерживаемые на поверхности слоя, толщина слоя стабилизируется. Углистые вещества уносятся с выпускными газами и частично вместе с газами, прорывающимися в картер, попадают в смазочное масло, ускоряя процесс его старения. Толщина слоя нагара зависит от температурного режима в камере сгорания. Чем выше температура, тем меньше толщина слоя нагара и интенсивнее процесс старения масла.

Нагар ухудшает теплоотдачу стенок камеры сгорания. В случае образования нагара между уплотняющими фасками клапана и седла возможны нарушения плотной посадки клапана и его прогар. Нагар на стенках камеры сгорания уменьшает ее объем (увеличивается степень сжатия), что может вызвать преждевременное воспламенение топлива или появление детонации. Возникновению детонации способствует также наличие на электродах свечей зажигания раскаленных частиц нагара и каталитическое действие их на протекание химических реакций. В двухтактных двигателях отложения нагара на боковых поверхностях впускных и выпускных окон нарушают процессы газообмена.

В зазорах между боковой поверхностью поршня и втулки (гильзы) цилиндра, поршневых колец и канавок пленка смазочного масла подвергается воздействию высоких температур поверхностей деталей и нагретых газов, прорывающихся из камеры сгорания в картер. Продукты окисления масла в виде лакообразных веществ откладываются на поверхностях деталей или, в зависимости от его химического состава, смываются свежей порцией масла. Лакообразные отложения ухудшают отвод теплоты от поршня к втулке цилиндра.

Накопление в поршневых канавках лакообразных веществ и нагара вызывает потерю кольцами подвижности («залегание» или пригорание поршневых колец). Пригоревшие кольца перестают выполнять уплотнительные функции, и мощность, развиваемая двигателем, уменьшается. Возрастающий объем нагретых газов, прорывающихся из камеры сгорания, «сдувает» масляную пленку. Чрезмерный перегрев колец и поршня может вызвать поломки колец и задиры на поверхностях цилиндра и поршня.

При использовании смазочного масла для охлаждения поршней на внутренних охлаждаемых поверхностях также возможно отложение плотных смолистых веществ, препятствующих отводу теплоты в масло, что может вызвать перегрев головки поршня.

Масло, циркулирующее в двигателе, загрязняется частицами износа деталей и нагара, топливом и продуктами его неполного сгорания, продуктами окисления масла, пылью и др. Часть загрязняющих веществ остается в масле в растворенном состоянии, а часть выпадает в виде липкого мазеобразного осадка, образованию которого способствуют пары воды, конденсирующиеся из прорывающихся в картер газообразных продуктов сгорания. Осадок загрязняет поверхности деталей, фильтры, масляные каналы и может затруднить прокачивание масла, вследствие чего уменьшается подача масла к трущимся поверхностям. Выпадению осадков способствует низкая температура в системе охлаждения при пуске, прогреве и длительной работе двигателя на режиме холостого хода и частичных нагрузках. При поддержании оптимального температурного режима в системе охлаждения и хорошей вентиляции картера, препятствующей конденсации паров воды из прорывающихся газов, уменьшается образование осадков.

В продуктах окисления масла содержатся органические кислоты и другие агрессивные вещества. При использовании сернистых топлив в состав прорывающихся в картер газов входят оксиды серы, образующие с конденсирующимися парами воды серную или сернистую кислоту. Кислоты и другие агрессивные вещества вызывают коррозию деталей двигателя и особенно вкладышей подшипников скольжения. Хорошая вентиляция и оптимальный режим охлаждения способствуют частичному удалению газообразных агрессивных веществ из картера.

Проникновение в смазочное масло воздуха (например, при оголении сетки мас-лоприемника), прорывающихся газов и паров топлива приводит к образованию пены. Пенообразованию способствует также интенсивное разбрызгивание и взбалтывание масла в картере. При попадании пены в нагнетательную масляную магистраль снижается давление масла и ухудшаются условия работы трущихся пар и отвод теплоты от них.

В смазочных маслах ограничено содержание веществ, способствующих образованию отложений на поверхностях деталей двигателя и вызывающих коррозию. Способность масла к отложениям оценивается коксуемостью, показывающей относительное количество (в процентах) кокса, образующегося при нагревании масла до определенной температуры без доступа воздуха; термоокислительной стабильностью, выраженной временем в минутах, необходимым для образования на нагретой металлической поверхности лаковой пленки определенной липкости; моющими свойствами в баллах, характеризующими степень загрязнения поршня стандартной лабораторной установки лаковыми отложениями.

Относительная коррозионная способность смазочного масла определяется потерей массы пластинки из листового свинца С1 или С2, исчисляемой в граммах на 1 м2, при периодическом воздействии на нее нагретого масла и воздуха. Способность масла нейтрализовать кислые продукты, образующиеся при сгорании топлива (особенно с высоким содержанием серы), оценивают по щелочному числу, т. е. массовой концентрации щелочи КОН в 1 г масла.

Интенсивность старения зависит от качества моторного масла и применяемого топлива, конструкции двигателя и условий его эксплуатации.

Высокая стабильность моторных масел обеспечивает минимальное изменение их свойств в процессе применения и хранения.

Присадки к маслам

Для снижения интенсивности образования отложений различных видов, изнашивания трущихся поверхностей, коррозионных процессов и улучшения эксплуатационных свойств масел в них вводят специальные присадки.

По действию на масла присадки можно разделить на следующие группы:
— вязкостные, повышающие вязкость масел и улучшающие их вязкостно-темпера-турные свойства;
— депрессорные, понижающие температуру застывания масел;
— моющие, не допускающие образования на деталях двигателей нагаров, лаков и осадков;
— противоокислительные, повышающие стабильность масел;
— противокоррозионные, защищающие цветные металлы подшипников от коррозии;
— противоизносные, улучшающие смазочные свойства масел и предохраняющие мер, М-63/ЮГ2. Числитель показывает класс вязкости масла, которая при — 18 °С должна находиться для класса 63 в пределах 2600…10 400 мм2/с (для класса 4з в пределах 1300…2600 мм2/с), индекс 3 означает, что масло содержит загущающие его присадки. Цифра 10 в знаменателе показывает, что вязкость масла при температуре 100 °С равна 10 мм2/с.

Определение вязкости при —18 °С может сказаться недостаточным показателем для масел, предназначенных для использования в условиях более низких температур. Два сорта масла могут иметь одинаковую вязкость при —18°С и существенно разную при температуре — 30 °С. Вязкость масла при температуре, близкой к нижнему пределу диапазона его рабочих температур, более точно характеризует низкотемпературные свойства масла. В связи с этим в международной практике вязкость определяют при температуре на 5 °С выше предельной температуры прокачиваемости масла. Предельная температура прокачиваемости масла характеризует способность моторного масла свободно перемещаться по направлению к приемному патрубку масляного насоса и обеспечивать минимально необходимое давление масла в системе в начальный период работы двигателя.