Вязкость масла для двигателей влияет на надежность прокачивания масла по системе смазки, на легкость и быстроту пуска двигателя, уплотнение поршневых колец в цилиндре, на степень очистки масла в фильтрах, расход масла и топлива. От вязкости масла зависит также охлаждение трущихся деталей.

Вязкость масла при одинаковых температуре и давлении зависит от химического состава и структуры углеводородов, из которых состоит масло. Самая низкая вязкость у парафиновых углеводородов и самая высокая у полициклических ароматических. Парафиновые углеводороды обладают также лучшими вязкостно-температурными свойствами.

При увеличении температуры вязкось понижается, а при увеличении давления — возрастает (рис. 1), и, например, при давлении 15 000—20 000 кгс/см2 масло затвердевает.

С увеличением вязкости возрастает толщина масляного слоя и надежность жидкостного трения.

Масло с большей вязкостью лучше уплотняет поршневые кольца в цилиндрах и уменьшает прорыв газов ив камеры сгорания в картер двигателя. Оно в меньших количествах попадает в камеру сгорания, сокращая этим расход масла и нагарообразование, а также в меньшей степени подтекает через сальники и уплотнительные прокладки крышек картеров.

Повышение вязкости масла ухудшает его циркуляцию в систем смазки, охлаждение деталей и очистку поверхностей трения от продуктов износа и других загрязнений. Слишком вязкое масло не обеспечивает жидкостного трения вследствие затрудненного поступления к трущимся поверхностям.

Чем выше относительная скорость перемещения трущихся деталей и лучше качество обработки их поверхностей, тем меньшая требуется вязкость масла. Поэтому, например, для быстроходных двигателей применяют масло с меньшей вязкостью, чем для тихоходных. При уменьшении нагрузки на детали вязкость может быть снижена, а при увеличении зазоров между ними — увеличена. Вязкость масла выражают в единицах динамической и кинематической вязкости. При этом указывается температура масла в момент определения вязкости.

Наиболее часто в стандартах и технических условиях указывается кинематическая вязкость масла.

Динамическая вязкость определяется преимущественно для трансмиссионных масел, обладающих плохой текучестью, и поэтому требующих при оценке вязкости применения давления для проталкивания их через капилляр вискозиметра.

Изменение вязкости масла при изменении температуры находится в сложной зависимости, которая проявляется индивидуально для масел различных марок; поэтому по значению вязкости масла при какой-то одной температуре нельзя судить о том, какую оно будет иметь вязкость при другой температуре, возникающей при работе.

Температура масла, предназначенного для двигателя, колеблется в широких пределах, особенно зимой. Так, в момент пуска холодного двигателя масло в его картере имеет ту же температуру, что и окружающий воздух, например минус 30 °С, а после прогрева двигателя температура масла на поверхности таких ответственных деталей как подшипники коленчатого вала, достигает 200 °С.

В несколько меньших пределах изменяется температура трансмиссионных масел. При температуре воздуха минус 30 °С температура масла в картере коробки передач во время работы автомобиля повышается только до 10—15 °С, а в заднем мосту она составляет около Минус 10 °С Таким образом в данном примере перепад температуры маела в коробке передач составляет 40—45 °С. Однако важно иметь в виду, что смазка трансмиссионным маслом осуществляется только разбрызгиванием, интенсивность которого резко изменяется с изменением вязкости

Для большинства масел, предназначенных для двигателей, кинематическая вязкость нормируется не только при 100, но и при 0 °С, а для отдельных сортов трансмиссионных масел кинематическая вязкость указывается при 100 °С и динамическая — при минус 20 или минус 30” или минус 45 °С.

Лучшими вязкостно-температурными свойствами обладает то масло, у которого в меньшей степени изменяется вязкость при изменении температуры.

Такое масло обеспечивает более стабильную смазку при различных температурных условиях.

Однако и самые лучшие нефтяные масла имеют вязкостно-температурные свойства, не полностью удовлетворяющие предъявляемым требованиям. Этим, а также желанием улучшения стабильности масла при высоких температурах и давлениях объясняется появление синтетических неуглеводородных масел.

Синтетические масла можно использовать как самостоятельно, так и в смеси с нефтяными. Перспектива их применения будет определяться возрастающими требованиями к автомобильным маслам а степенью удовлетворения этим требованиям нефтяными маслами.

Вязкостно-температурные свойства масла выражаются графически вязкостно-температурными кривыми (рис. 2). Из рисунка видно, что у масла АКЗп-6 вязкостно-температурная кривая более пологая, чем у маселАС-6 и особенно у АС-10. Характерно, что кинематическая вязкость масел АС-6 и АКЗп-6 при 100°С одинакова, но при понижении температуры до 200 С вязкость масла АС-6 возрастает почти в 4 раза больше, чем масла АКЗп-6. Для характеристики вязкостно-темпе-ратурных свойств масел, т. е. степени изменения вязкости масел от температуры, в ГОСТах нормируется индекс вязкости (ИВ).

Индекс вязкости масла определяют при помощи номограммы (рис. 43) или специальных таблиц, зная его вязкость при 50 и 100 °С.

Масло с большим индексом вязкости имеет лучшие вязкостно-температурные свойства, более пологую кривую вязкости.

От вязкостно-температурных свойств масла зависят легкость пуска и износы двигателя при низких температурах. Масло, у которого резко повышается вязкость при отрицательных температурах, плохо перекачивается по системе смазки и не поступает в необходимых количествах к трущимся деталям, а также создаёт большое сопротивление провёртыванию коленчатого вала.

Зная предельную вязкость (80—120 Ст), при которой стартер данного двигателя развивает минимально необходимую для пуска частоту вращения коленчатого вала (30—50 об/мин для карбюраторных п 100—300 об/мин для дизельных двигателей), по вязкостно-температурной кривой масла можно установить минимальную температуру масла, при которой возможен пуск двигателя.

Для автомобильных масел нормируется температура застывания, т. е. температура, при которой они теряют подвижность.

Нефтяные масла не имеют определённой температуры перехода ив жидкого состояния в твёрдое, этот переход осуществляется постепенно.

Застывшее масло теряет текучесть (прокачиваемость) и не участвует в смазке деталей, которые до подогрева масла работают при сухом трении с огромными износами. Застывшее масло исключает возможность перекачивания его из одного резервуара в другой и заправку автомобилей. Застывшее масло в картере двигателя не дает возможности пустить двигатель, а в картере заднего моста оно может настолько повысить сопротивление вращению деталей, что автомобиль невозможно стронуть с места. При таких случаях не исключены аварийные поломки деталей двигателя и агрегатов трансмиссии.

Температура застывания масла определяется аналогично температуре застывания дизельного топлива, т. е. в условиях, отличных от реальных.

Фактически масло теряет подвижность в агрегатах автомобиля при более высоких температурах, чем получаемая при испытании в пробирке температура застывания. Поэтому для надёжной работы системы смазки масло должно иметь температуру застывания на 10—20 °С ниже минимальной температуры масла в процессе эксплуатации.

Смазывающие свойства характеризуют способность масла снижать износ трущихся деталей и потерн энергии на трение. Их оценивают путем испытаний масел в двигателях и агрегатах трансмиссии на стендах или автомобилях.

Смазывающие свойства масел при смазке стальных деталей оцениваются в лабораторных условиях на четырехшариковой машине, при заданных осевых нагрузках путем определения индекса задира, критической нагрузки, нагрузки сваривания и показателя износа. В этой машине имеется резервуар с испытуемым маслом, в котором помещаются неподвижная обойма с тремя закрепленными неподвижно стальными шариками (сталь марки ШХ-15), расположенными в горизонтальной плоскости, и над обоймой вращающийся шпиндель с закрепленным в нем шариком. Шарик в патроне находится по центру, образованному тремя другими шариками, и, вращаясь, может прижиматься к ним с заданной нагрузкой. При каждом испытании шарики заменяют на новые.

Показатель износа, критическую нагрузку и индекс задира определяют по диаметрам пятен износа каждого из трех нижних шариков, а нагрузку сваривания—по наименьшей величине нагрузки, при которой происходит автоматическая остановка машины при достижении момента трения 120 кгс-смили сваривание шариков.

Продолжительность испытания при определении критической нагрузки, нагрузки сваривания и индекса задира составляет 10 мин и показателя ивноса — 60 мин.

Нагрузка сваривания характеризует предельную работоспособность смазочного материала в условиях испытания.

Показателем износа в миллиметрах является среднее арифметическое значение диаметров пятен износа нижних шариков. Он характеризует слияние смазочного материала на износ трудящихся поверхностей при постоянной нагрузке, меньше критической.

Критической нагрузкой считают нагрузку, при которой средний диаметр пятен износа нижних шариков находится в пределах значений величины предельного износа при заданной нагрузке. Она характеризует способность смазочного материала предотвращать возникновение задира трущихся поверхностей.

Индексом задира считают безразмерную величину, вычисленную по результатам измерения износа шариков от начальной нагрузки до нагрузки сваривания. Оп характеризует способность смазочного материала снижать повреждения трущихся поверхностей из-за задира.

Результаты испытания смазочных материалов на четырехшариковой машине позволяют судить о их противоизносных и противозадирных свойствах.

Повышение противозадирных свойств масел важно для современных двигателей, имеющих малые зазоры в трущихся парах и работающих при высоких удельных нагрузках и температурах.

Противоизносные и противозадирные свойства масел повышают, добавляя к ним соответствующие присадки, создающие на поверхностях металла трущихся деталей прочные пленки.

Образование нагара и лаковых отложений

Автомобильные масла при обычных температурах устойчивы против окисления, т. е. обладают высокой химической стабильностью, п могут в течение пяти лет и более Сохранить свои свойства без существенных изменений.

Однако при повышенной температуре (более 50 °С) масло интенсивно окисляется, а при температуре свыше 300 °С происходит термический распад и окисление масла. Окисление масла сопровождается образованием спиртов, кислот, смол, асфальтенов, карбенов, карбо-идов и других — ухудшением его свойств. Продукты окисления масла вызывают коррозию деталей, образуют на них осадки и отложения. На ускорение окисления масла каталитическое действие оказывают такие металлы, как медь, железо и свинец. Присутствие воды также ускоряет процесс окисления масел.

При прочих равных условиях интенсивность окисления и осмоле ния смазочных масел зависит от структуры молекул и углеводородного состава. Ароматические углеводороды окисляются менее интеи сивно, чем нафтеновые.

В зависимости от температуры, при которой происходит окисла ние масла, могут образовываться шламы, лаки и нагар.

Шламы — это густые, мазеобразные, липкие, темного цвета продукты, образующиеся при невысоких температурах (как правило, не более 120 °С), выпадающие из масла в виде осадка и создающие отложения в картерах, маслопроводах и каналах, фильтрах, клапанной коробке, маслоприемнике и др.

Маола более стабильные, менее вязкие и со специальными присадками, например сукцинимидными (полимерные присадки, имеющие в своем составе аминные группы), образуют меньше осадков. Из причин, не связанных с физико-химическими свойствами масел, осадкообразованию способствуют попадание воды, отработавших газов и топлива в картер, понижение теплового режима двигателя, а также каталитическое действие металла.

Удаляются шламы из двигателя при замене масла путем промывки его маловязкими маслами или специальной промывочной жидкостью при помощи специальных аппаратов.

Оценка масла с точки зрения осадкообразования производится непосредственными испытаниями масла в двигателе или другом агрегате.

Лаки представляют собой прочные тонкие пленки толщиной в десятые и сотые доли миллиметра с гладкой поверхностью (часто блестящей), образующиеся на горячих деталях двигателя, нагреваемых до температуры порядка 250 °С (наружных и внутренних стенках поршня, поршневых кольцах, верхних головках шатунов, стержнях клапанов), где наряду с испарением часть масла окисляется и разлагается, превращаясь в твердый осадок.

Лаковые отложения вызывают зависания и пригорание поршневых колец, перегрев и повышенный износ деталей двигателя. Они в основном состоят ив углерода (до 85%), водорода, кислорода и имеют цвет от светло-желтого до черного. Большинство лаковых отложений трудно смывается растворителями и поэтому удаляется механическим путем или нагревом деталей, покрытых лаком, до температуры 500—600 °С. В качестве растворителя используются бензол, ацетон, хлороформ я щелочные растворы.

Интенсивность лакообразования в основном зависит от моющих свойств я в несколько меньшей степени от вязкости и фракционного состава масла. Так, маловязкие масла быстрее образуют лак, но зато в меньших количествах, чем более вязкие масла. Масло, состоящее их легких дистиллятов, более склонно к лакообразованию.

Для уменьшения лакообразования путем повышения антиокислительных свойств масел к ним добавляют противоокислительные присадки.

Кроме качества масла, интенсивность лакообразования зависит от теплового режима двигателя и технического состояния его поршневой группы. При более высоком тепловом режиме и большом количестве газов, прорывающихся в картер (вследствие изношенной поршневой группы), лакообразование увеличивается.

Моющие свойства характеризуют способность масла удерживать в себе во взвешенном состоянии продукты окисления, препятствуя их осаждению и отложению на деталях.

Для определения количества баллов поршень вынимают из установки и лаковые отложения в нем сравнивают с эталонной цветной шкалой, составленной из семи эталонных поршней. Чистый поршень имеет 0 баллов, а с наибольшими отложениями лака — 6 баллов.

Моющие свойства современных масел улучшают добавлением к ним моющих присадок.

Нагар — это твердая углеродистая масса с шероховатой поверхностью, чаще черного цвета, образующаяся в камере сгорания, где температура более 2000 °С.

Нагар отлагается на стенках камеры сгорания, днище поршня и стенках верхнего пояска поршня (200— 425 °С), свечах зажигания и форсунках (350—850 °С), клапанах (425—815 °С).

Состав нагара зависит от свойства сгорающих топлива, масла и загрязненности воздуха. Так, при работе на этилированном бензине нагар на 50% и более состоит из соединений свинца. Основными элементами, образующими нагар при работе на неэтилированком бензине, являются углерод (до 75%), кислород (до 20%) и водород (до 5%).

Образование нагара в двигателе нежелательно пе причинам, отмеченным выше. Интенсивнее образуется нагар при маслах с низкими противоокислительными свойствами.

При отложении нагара на деталях их температура становится тем выше, чем толще слой нагара. Наоборот, при снижении тепловоге режима толщина слоя нагара увеличивается. Такое равновесное состояние нагарообразования наступает примерно через 10—15 тые, км пробега. При высокозольных маслах (более 4,594) вольные отложения могут не выгорать и вызвать перегрев и прогар поршней.

В стандартах на некоторые автомобильные масла приводится показатель коксуемости масла (коксовое число). Однако коксуемость масла не дает возможности судить о нагарообразовапии в двигателе при работе на данном масле.

Коксуемость наряду с другими параметрами служит производственным показателем для характеристики степени очистки масла и качества исходного сырья.

Показатели свойств масел, влияющие на коррозионный износ деталей

Масло должно уменьшать износы трущихся деталей. Оно не полно будет отвечать этой цели, если само будет вызывать коррозию. Масло может вызывать коррозию вследствие наличия в нем органических (нафтеновых) кислот, а также водорастворимых кислот и щелочей.

Органические кислоты представляют главную опасность для деталей из цветных металлов п в первую очередь для подшипников, залитых антифрикционными сплавами. Органические кислоты коррозируют свинец, образуя местные раковины, перерастающие в сплошные участки с разрушенной поверхностью вкладышей подшипника.

Интенсивность коррозии деталей под действием органических кислот зависит от концентрации и характера кислот. Коррозионность органических кислот резко повышается при наличии в масле даже небольшого количества воды.

Коррозионность масла может быть уменьшена путем нейтрализации образующихся в нем в процессе работы кислых продуктов, путем замедления процесса окисления и создания на металле защитной пленки.

Нейтрализация кислых продуктов достигается введением в масло высокощелочных присадок, обеспечивающих щелочную реакцию масла в процессе всей его работы.

Для замедления процесса окисления к маслу добавляют противо-окислительные и другие присадки, разрушающие гидроперекиси и превращающие активные радикалы в неактивное состояние.

Создание защитных пленок достигается также введением в масло соответствующих присадок.

Водорастворимые кислоты и щелочи одинаково опасны для деталей как из цветных, так и из черных металлов.

Для оценки коррозионных свойств масел в стандартах или технических условиях предусмотрены соответствующие показатели: кислотное число, содержание водорастворимых кислот и щелочей, коррозионность свинцовых, медных или стальных пластинок.

Содержание водорастворимых кислот и щелочей в маслах не допускается. В маслах с присадками допускается слабая щелочная реакция. Однако за счет положительного влияния присадки такое масло не вызывает повышенного износа деталей. …

Кислотное число определяется количеством миллиграммов КОН, которое потребуется для нехп-рализации кислых продуктов, находящихся в 1 г масла. При добавлении к маслу некоторых присадок кислотное число может увеличиться и уменьшиться, не отражая этим изменений коррозионной активности масла. Поэтому корро-зионность масла нормируется другими показателями.

Коррозионность определяется по потере массы свинцовой пластинки (г/м2) при попеременном ее погружении в масло, нагретое до температуры 140° С в течение 10 ч. При данном методе учитывается и влияние кислот, образовавшихся в результате контакта масла с воздухом в процессе испытаний так называемых потенциальных кислот.

Потери массы пластинки до 1 г/м2 принимаются за отсутствие коррозии.

Для проверки коррозионного действия трансмиссионных масел в них на 2 ч при температуре 150° С погружаются медные и стальные пластинки, на которых после испытаний не должно быть пятен и точек.

Сера в трансмиссионных маслах является полезным элементом, она повышает прочность масляной пленки. В маслах для двигателей сера может вызвать коррозию деталей, поэтому ее содержание ограничивается.

Щелочность характеризует нейтрализирующие свойства масла, что особо важно при работе на сернистом дизельном топливе, и оценивается щелочным числом. Щелочное число определяется количеством едкого кали в миллиграммах, эквивалентным количеству соляной кислоты, израсходованной на нейтрализацию сильных оснований, содержащихся в 1 г масла. Оно указывается для современных масел, содержащих сульфатные присадки.

Водородный показатель рН указывает на характер среды масла, служит количественной характеристикой их кислотности.

Контрольные показатели

Для полной характеристики смазочного масла в стандартах или технических условиях, кроме рассмотренных выше, приводятся некоторые другие показатели. К таким показателям относятся зольность, содержание механических примесей, содержание воды, бария, кальция, цинка, серы, нитробензола, температура вспышки, плотность и некоторые другие.

Зольность у масел расценивается по-разному до введения присадки и после введения присадки. Для масел без присадок ограничивается максимальное содержание золы, а для масел с присадками — минимальное. Для масел без присадок показатель зольности характеризует природу исходной нефти, степень очистки, а также загрязненность масла в процессе производства или использования.

Масло с .более высокой зольностью повышает износ деталей двигателя и нагарообразование. Добавление к маслу присадки уве-личнвает зольность за счет повышения содержания в ном раствори-мыл солей, которые не являются абразивными и поэтому не увеличивают износа деталей. По зольности такого масла можно косвенно судить о содержании в нем зольной присадки.

Для высокощелочных масел нормируется зольность сульфатная.

Содержание механических примесей в маслах без присадки не допускается, а в маслах с присадками строго ограничивается. При этом механические примеси, образовавшиеся за счет присадок, не оказывают абразивного действия на трущиеся детали и не увеличивают их износа.

В свежих маслах механическими примесями являются песок и пыль, а в отработавших, кроме того, металлические частицы (окислы металла). Они увеличивают износ деталей, нагарообразование, засоряют маслопроводы и масляные фильтры.

Содержание воды в маслах не допускается. Вода в масле вызывает образование пены и эмульсии, которые, заполняя масляные каналы, ухудшают условия смазки трущихся деталей и способствуют образованию осадков, вызывает коррозию деталей, разрушает и вымывает присадки. Особенно недопустимо присутствие воды в маске в зимнее время, так как вода, отстаиваясь внизу, при замерзании может вызвать поломку масляного насоса и привода прерывателя-распределителя.