Рис. 1. Зависимость износа бензинового двигателя в момент пуска от вязкости масла.

С увеличением зазора в подшипнике и нагрузки на вал вязкость масла должна быть выше, чтобы создавалось жидкостное трение.

При любом виде трения выделяется теплота. Для предупреждения перегрева трущихся деталей, преждевременного износа подшипника его необходимо охлаждать. За последние двадцать пять лет эксплуатации двигателей давление в шатунных подшипниках коленчатого вала увеличилось практически в 2 раза, в паре поршневое кольцо — цилиндр — в 2—3 раза, а величина удельных давлений в паре кулачок — толкатель бензиновых двигателей достигает в некоторых моделях 2500 МПа при средних -значениях 500—700 МПа. Температура вкладышей шатунных подшипников за эго же время увеличилась в среднем на 30 °C, достигая 150—160 °C, а иногда и выше.

При использовании наддува тепловая напряженность двигателя резко повышается, ужесточаются условия работы масла в нем. Особенно резко повышается температура в зоне верхней поршневой канавки при повышенном прорыве отработавших газов в картер, т. е. температура зависит от давления газов в цилиндрах, уплотняющего действия поршневых колец и режима работы двигателя. Масло отводит от 1,5—4,5% теплоты, в наддувных модификациях двигателей — до 10%. Эта величина зависит от конструкции двигателя, степени форсированности, наличия принудительного охлаждения поршней маслом, режима работы, масляной системе зависит от количества прокачиваемого масла, его температуры и т. д. На интенсивность теплопередачи и температуру цилиндропоршневой группы решающее влияние оказывает масляная пленка между поверхностями цилиндра, поршневых колец и поршня. Теплопроводность масляной пленки примерно в четыре раза больше, чем теплопроводность воздуха. Поэтому при увеличении зазора между цилиндром и поршнем температура этих деталей и колец может возрастать из-за ухудшения теплопередачи.

Таблица 1.
Температура различных участков поршней двигателей (температура масла в картере 120 °C)

Рис. 2. Зависимость прокачиваемости масла в двигателе от его вязкости.

Чем больше масла протекает через подшипник, чем лучше циркуляция масла, тем лучше температурное состояние подшипника. Прокачиваемость масла по его вязкости: чем меньше вязкость, тем лучше его циркуляция, чем ниже вязкость масла, тем выше чистота трущихся деталей вследствие улучшения циркуляции. Следовательно, на практике лучше всего применять масло пониженной вязкости.

Значительное уменьшение вязкости масла влияет на расход масла, проникающего через поршневые кольца в камеру сгорания, т. е. увеличивается его расход на угар. Масло, выгорающее в камере сгорания, образует зольные отложения — нагары. Это ведет к ухудшению теплоотвода от деталей двигателя, в результате чего может возникнуть оплавление и растрескивание поршней, прогар выпускных клапанов. Нагары являются причиной возникновения кадильного зажигания, детонации. При эксплуатации автомобилей расходы на смазочные масла составляют около 2% общих эксплуатационных расходов. Снижение расхода масла на угар до 0,3—0,5% только в сельском хозяйстве позволит сэкономить около 20 млн. руб. (в пересчете на парк тракторов и комбайнов).

При работе двигателя на форсированном высокотемпературном режиме наблюдается повышение вязкости масла в результате испарения низкокипящих фракций масла, разложения присадок, накопления .продуктов окисления масла. Например, при 200-часовой работе дизеля с воздушным охлаждением на масле М-10Г5 с температурой масла в картере около 80 °C вязкость его увеличилась на 35%, а при температуре масла 115—120 °C — более чем в 2 раза. Работа двигателя на маслах повышенной вязкости ведет к увеличению механических потерь в двигателе, перерасходу топлива и масла, повышению токсичности отработавших газов. Однако при увеличении вязкости масла улучшается уплотнение поршневых колец. Для двигателей, работающих с большой удельной нагрузкой, используются масла более высокой вязкости или с большим содержанием в товарном масле доли остаточного масла.

Вязкость масла влияет на расход топлива. Как показывает практика, применение масел с меньшей вязкостью ведёт к экономии топлив, иногда значительному (до 15—20%). При использовании масел пониженной вязкости автомобиль развивает более высокие скорости движения. Использование зимой летних сортов масел, наоборот, ведет к дополнительному расходу топлива на 8—10%.

Вязкость не является постоянной величиной, она изменяется в зависимости от температуры. Поэтому при ее определении необходимо указывать температуру, при которой она была определена. Качественными считаются масла, у которых небольшая вязкость при отрицательных температурах, хорошая текучесть, минимальные пусковые изно-сы, а при рабочих температурах — высокая вязкость и хорошие смазочные свойства. Следовательно, масла должны мало изменять свою вязкость в зависимости от температуры. Влияйие температуры на вязкость масла находится в зависимости от его химического состава. Мрело, содержащее значительное количество асфальтосмолистых, пелицикли-ческих соединений, в зависимости от температуры резке изменяет свою вязкость, а масло из парафинистой нефти изменяет свою вязкость незначительно.

Для характеристики вязкостно-температурных свойсте масел имеется ряд показателей. Одним из них может быть соотношение вязкостей при 50 и 100 °C. Чем меньше это соотношение, тем качественнее масло.

Кроме соотношения вязкостей для характеристики вязкостно-температурных свойств масел можно, использовать температурный коэффициент вязкости, характеризующий изменение вязкости масла в более широком диапазоне температур: 0—100 С и 20—100 С. Чем меньше величина температурного коэффициента вязкости, тем выше эксплуатационные свойства масла.

Согласно ГОСТу для характеристики вязкостно-температурных свойств масел предусматривается определение вязкости при различных температурах, в частности при температурах 100, 0 и —18 °C. Величина вязкости масла при различных температурах должна обеспечивать надежную работу двигателя.

Рис. 3. График определения индекса вязкости по Дииу и Дэвису.

На практике часто пользуются номограммами и таблицами. Например, номограмма Доксея, составленная на основании уравнения Дина и Дэвиса, проста в употреблении. Для определения индекса вязкости по номограмме Доксея необходимо знать вязкость масла при 50 и 100 °C.

Индекс вязкости — безразмерная условная величина, характеризующая степень изменения вязкости масла в зависимости от температуры, наклон вязкостно-температурной кривой. Чем положе вязкостно-температурная кривая, т. е. чем меньше изменяется вязкость с изменением температуры, тем выше индекс вязкости. Качественное масло должно иметь индекс вязкости 100 и. более. Расчет индекса вязкости масел проводят по ГОСТ 25371—82.

Рис. 4. Номограмма для определения индекса вязкости масел.

Моторные масла, получаемые из нефти, обладают относительно невысоким значением индекса вязкости, величина которого составляет не более 85—90. Для улучшения вязкостно-температурных свойств, т. е. для повышения индекса вязкости, готовят так называемые загущенные масла с индексом вязкости более 125. Высоксиндексные масла получают из маловязких масел типа веретенного, трансформаторного, имеющих хорошие вязкостно-температурные свойства (т. е. эти масла мало изменяют свою вязкость при изменении температуры) благодаря добавлению вязкостных присадок. Количество присадки рассчитывают, исходя из необходимого уровня вязкости готового масла. При добавлении присадки повышается вязкость масла, а характер вязкостно-температурной кривой остается прежним. При сравнении загущенного (кривая 1) и незагущенного (кривая 3) масел, имеющих одинаковую вязкость при 100 °C, видно, что значения вязкостей этих масел при других температурах не совпадают. Незагущенное масло изменяет свою вязкость в зависимости от температуры более резко по сравнению с загущенным маслом. В качестве вязкостных присадок используются различные полимерные соединения: полиизобутилен, полиметакрилат, вуниполы, сантодексы, вольтоли и др. Для приготовления автотракторных моторных масел наиболее широкс используются полиизобутилены и полиметакрилаты. Однако использование масел с присадками этого типа в дизельных высокофорсированных двигателях может привести к повышению количества углеродистых отложений на поршнях. Поэтому в будущем необходимо применять, более стабильные присадки, чем используемые в настоящее время.

Загущенные масла готовят для всесезонного использования и для районов Севера. Работа на загущенных маслах обеспечивает надежную работу двигателя в широком диапазоне температур. Оптимальная текучесть масла при низких температурах, легкий пуск двигателя, “быстрая циркуляция масла в холодном двигателе достигается за счет маловязкого масла. Необходимый уровень вязкости прг высоких температурах работающего двигателя обеспечивается при использовании масла с вязкостной присадкой. Применение загущенных масел экономически целесообразно: облегчается пуск двигателя при низких температурах окружающего воздуха, уменьшается износ двигателя, снижается расход масла и топлива, меньше становятся расходь: на техническое обслуживание и т. д. Например, зимние масла марки М-8ВП М-81\ обеспечивают пуск двигателя без применения средств подогрева только до температур —10 °C. Всесезонные масла марки М-63/10Г, обеспечивают пуск двигателя до температуры —22…—25 °C. Экономия топлива при работе на загущенном масле в зимнее время составляет 5—15%. .

Вязкость масла изменяется также при давлении выше 5 МПа. Повышение вязкости с увеличением давления имеет немаловажное значение, например, в подшипниках коленчатого вала давление составляет 15—25 МПа, во втулках поршневых головок шатунов — 50—90 МПа и т. д. С повышением температуры влияние давления на вязкость масла уменьшается. Общая закономерность влияния давления такова: с повышением давления вязкость масла увеличивается .

Рис. 5. Вязкостно-температурные характеристики загущенных и не-загущенных масел:
1 — загущенное масло; 2 — маловязкое масло, к которому добавлена вязкостная присадка; 3 — незагущенное масло.

Рис. 6. Влияние давления на затвердение масла при различных температурах:
1 — нефтяное масло; 2 — жировое масло.

Чем менее сложный состав имеет масло, т. е. менее сложная структура углеводородов, входящих в масло, тем меньше влияние давления на изменение вязкости.

Увеличение вязкости с повышением давления можно объяснить как следствие сближения молекул жидкого масла и их взаимодействия. При очень высоких давлениях вязкость может настолько^ увеличиться, что масло затвердевает. Зависимость давления на изменение вязкости затрудняет учет этого фактора для расчетов узлов трения.

Для предотвращения износа, задира, сваривания металлических поверхностей при трении, кроме соответствующей вязкости, масла должны обладать хорошей маслянистостью, т. е. способностью образовывать прочную масляную пленку. Маслянистость масла имеет большое значение, поскольку при работе двигателя много узлов трения работают в условиях граничной смазки. Прочность масляной пленки зависит от химического состава масла, от наличия ПАВ и химически активных соединений в масле. Чем больше в масле сложных полициклических соединений, смол, а также соединений, содержащих гидроксильные, карбоксильные и другие группы, тем выше маслянистость масла. Высоковязкое масло обладает более высокой маслянистостью по сравнению с маловязким маслом, полученным из одного сырья, так как с повышением вязкости в масле увеличивается содержание полярно-активных молекул. Поэтому остаточные масла обладают более высокой маслянистостью по сравнению с дистиллятными.

Масла в механизмах работают в условиях высоких давлений и температур. Масляная пленка при определенных условиях их не выдерживает. Для увеличения прочности масляной пленки к маслам добавляют противозадирные и противоизносные присадки.