|
Высокие температуры и удельные
давления в узлах трения, влияние агрессивных сред, паров воды, отработавших
газов, высокая распыленность в картере двигателя и постоянный контакт с
кислородом воздуха — все это очень неблагоприятно отражается на показателях
качества масла. Осложняет работу также широкий диапазон изменения температуры
окружающего воздуха и нагрузки, при которых приходится работать двигателям.
Основные эксплуатационно-технические требования к моторным
маслам:
1) бесперебойное поступление ко всем узлам трения
двигателя;
2) образование надежных и прочных масляных пленок
на трущихся поверхностях (для снижения механических потерь в двигателе и его
изнашивания);
3) надежное охлаждение трущихся деталей и отвод
теплоты от узлов трения;
4) вынос продуктов изнашивания из зоны трения и
защита этой зоны от проникновения в нее вредных примесей из внешней среды;
5) отсутствие коррозионной агрессивности по отношению
к деталям двигателя, защита от вредного воздействия кислорода воздуха, паров
и прорвавшихся картерных газов;
6) возможно большая химическая стабильность:
отсутствие способности к окислению в условиях высоких температур и
непосредственного контакта с горячими деталями и к образованию нагара,
лаковых пленок и липких отложений (шлама) на внутренних поверхностях
двигателя;
7) противопенные свойства (способность не
образовывать устойчивую и медленно спадающую пену);
8) минимальная токсичность;
9) низкая стоимость и широкая сырьевая база.
Такие требования, очень разнообразные и противоречивые,
делают задачу создания надежных и эффективных масел исключительно трудной.
Требуется прежде всего установить и количественно определить показатели
качества масла, которые обеспечивали бы надежное выполнение этих требований,
зафиксировать их на уровне государственных стандартов, разработать методы
оценки и контроля этих качеств. Методы контроля и применяемая для этих целей
аппаратура, установки и контрольно-измерительные приборы тоже должны быть
стандартизованы; это даст возможность повсеместно и достоверно сопоставлять
результаты контрольных испытаний.
Удовлетворение перечисленных требований возможно только
при условии, что моторное масло обладает необходимыми физико-химическими
свойствами, такими, например, как вязкость, температура застывания,
химическая стабильность и ряд других.
Вязкостно-температурные свойства
Вязкость и ее зависимость от температуры являются
важнейшим показателем качества моторных хмасел.
От вязкости масла зависит его способность обеспечить
жидкостное, гидродинамическое трение в подшипниках, а следовательно, их
нормальную работу. Вязкость масла влияет на изнашивание шеек коленчатого вала
и вкладышей подшипников. От вязкости масла зависит количество отводимой от
узла трения теплоты.
Иыбор оптимальной вязкости масла усложняется тем, что она
очень зависит от температуры. Например, при понижении температуры от 100 до
50 °С вязкость может увеличиться в 4—5 раз. При охлаждении моторных масел до
0 °С и тем более до отрицательных температур их вязкость увеличивается в
сотни и тысячи раз. За многие годы изучения зависимости вязкости от
температуры было предложено много способов построения вязкостно-температурных
ха« рактеристик и формул, выражающих эту зависимость. Но лишь немногие из них
дают удовлетворительную сходимость результатов расчета и практического
определения вязкости вискозиметром. Это объясняется в первую очередь тем, что
масла представляют собой жидкости, молекулы которых, имея сложное строение,
образуют различные структуры, зависящие как от молекулярной массы, так и от
группового химического состава масла.
Для описания зависимости вязкости моторных масел от
температуры практически используют уравнения Вальтера и советского
химмотолога Рамайя.
Формула Вальтера в экспоненциальной форме имеет вид
Практическое применение обеих формул показало
удовлетворительное совпадение результатов расчета с опытными данными.
Несколько большую точность дает формула Рамайя. Принципиальным недостатком
этих уравнений является их эмпирический характер, не вскрывающий сущности
физических явлений, происходящих в маслах при изменении их температуры.
Индекс вязкости (ИВ). В современных отечественных и
зарубежных стандартах для оценки крутизны вязкостно-температурной кривой
применяют показатель ИВ, основанный на сравнении масла с двумя эталонами.
Один из этих эталонов- характеризуется крутой
вязкостно-температурной кривой, а другой — пологой. Эталону с крутой кривой
присвоен индекс вязкости, равный 0, а эталону с пологой кривой — 100. Чем
выше ИВ масла, тем более пологая вязкостно-температур- JI;IH кривая и тем
лучше масло для зимней эксплуатации.
Хотя ИВ и принят сейчас как основной показатель вязкостно-
температурных свойств масел, он, как и два предыдущих показателя v50/v100 и
ТКВ, не отображает в полной мере всю вязкостно- температурную характеристику
масла, особенно в области низких температур. (Об этом свидетельствует то, что
при определении ИВ используют данные о вязкости масла только в области
положительных температур.)
Вязкость масел зависит также и от давления. Если давление
в узлах трения относительно невелико, то его значением можно пренебречь. Но в
современных двигателях давления в ряде узлов могут достигать 25—30, а иногда
80 МПа (подшипники поршневого пальца). В этих случаях при конструировании
двигателя необходимо учесть влияние давления на вязкость.
Следует отметить одинаковый характер изменения вязкости
масла при увеличении давления и понижении температуры. Давление и температура
больше влияют на высоковязкие масла, в которых содержится значительное
количество асфальто-смолистых и циклано- ароматических компонентов.
Зависимость вязкости масла от температуры и давления
оказывает в реальных условиях его работы в подшипниках благоприятное влияние
на работоспособность этого узла. При увеличении нагрузки на подшипник растет
давление в масляном слое и его вязкость. В свою очередь, повышение вязкости
приводит к увеличению гидродинамических потерь, тепловыделения в подшипнике,
температуры, а затем и к уменьшению вязкости масла. Таким образом,
осуществляется авторегулирование вязкости масла и несущей способности
подшипника. В этом процессе одинаково важны чувствительность вяькости к
изменению температуры и чувствительность
вязкости к изменению давления. Очень важно сбалансировать
эти факторы или целенаправленно управлять их соотношением.
Исследование моторных масел в области низких температур
по- казывает, что существует предел их охлаждения, при котором начинают
проявляться признаки структурной вязкости, обусловленной возникновением в
масле структур из застывших углеводородов. Это явление хорошо прослеживается
по вязкостно-температурной кривой масла. На 23 показана такая кривая в
широком диапазоне температур. Изменение угла наклона вязкостно-температурной
кривой свидетельствует о нарушении структуры застывших углеводородов.
Особенно отчетливо структурная вязкость проявляется при наличии в масле
парафинов, которые при сравнительно неглубоком охлаждении легко
кристаллизуются, понижая его текучесть.
Для структурной вязкости характерна ее зависимость не
только от температуры, но и от градиента скорости сдвига. Чем больше градиент
скорости сдвига, тем меньше эффективная вязкость. При работе моторного масла
в подшипниках или в цилиндропоршневой группе градиенты скорости сдвига
достигают нескольких тысяч единиц градиента (с-1), что значительно понижает
эффективную вязкость масла при низких температурах и уменьшает сопротивление
движению механизмов.
Зависимость вязкости моторых масел от температуры
затрудняет их правильный выбор. Если при температуре 100—150 °С вязкость
должна быть достаточной для осуществления жидкостного трения » подшипниках и
создания надежной защитной пленки в цилиндропоршневой группе и газораспределительном
механизме, то при низких температурах вязкость не должна быть чрезмерно
высокой, затрудняющей проворачивание коленчатого вала двигателя стартером.
Поэтому при производстве моторных масел необходимо любыми доступными и
эффективными методами уменьшить зависимость вязкости масла от температуры, т.
е. увеличить их ИВ и понизить температуру застывания. Это относится в первую
очередь к зимним и всесезонным маркам масел.
Наиболее действенным методом повышения ИВ является метод
загущения масел. Сущность этого метода заключается в следующем. В маловязкое
масло, обладающее хорошими низкотемпературными свойствами и пологой
вязкостно-температурной кривой, добавляют загуститель (например, полимер типа
полиизобутилена), количество и вязкость которого выбирают таким образом,
чтобы вязкость загущенного масла была достаточной для обеспечения надежного
смазывания двигателя при рабочих температурах. При этом характер
вязкостно-температурной кривой загущенного масла сохраняется примерно тот же,
что и у его маловязкой основы ( 24), так как добавление загустителя более
интенсивно увеличивает вязкость масла в зоне высоких температур (80—120 °С),
чем в зоне низких. Полагают, что это связано с состоянием молекул
загустителя. Его длинные цепи при высоких температурах развертываются, а при
охлаждении свертываются в клубочки, которые увеличивают вязкость основы в
меньшей степени, чем развернутые цепи в зоне рабочих температур.
В разработку теории механизма получения загущенных масел
большой вклад внес советский ученый, профессор Е. Г. Семенидо, который еще в
начале 50-х годов получил и глубоко исследовал первые отечественные
загущенные масла.
Принцип получения высокоиндексных загущенных масел
оказалось нелегко осуществить на практике, поскольку высоковязкие присадки,
имеющие большую молекулярную массу (10 ООО—20000), при работе двигателя
быстро разрушаются, их молекулярная масса уменьшается, загущающая способность
падает, что приводит к изменению первоначальных свойств загущенного масла.
При малой молекулярной массе загустителя для получения
нужного эффекта приходится слишком много добавлять его в базовое масло,
которое начинает терять свои другие ценные свойства (например,
маслянистость). К тому же необходимо добиться совместимости загустителя с
другими присадками масла. В современных загущенных маслах все эти трудности
преодолены, что позволило получить масла с ИВ больше 100 ед., т. е. выше, чем
у лучших эталонов, принятых в свое время для оценки ИВ.
При загущении масел применяют различные загустители.
Первые опыты по загущению были проведены с использованием естественного
каучука. Сейчас используют полиизобутилен, полиметакрилаты, виниполы и др. В
зависимости от свойств загустителя его добавляют от 1 до 10 %.
Очень важно, чтобы базовое масло имело высокий ИВ и низкую
температуру застывания. Хорошие результаты получают при использовании в
качестве основы веретенного масла АУ, обладающего пологой
вязкостно-температурной кривой и низкой температурой застывания — 45 СС.
Полученное на его основе загущенное масло имеет вязкость при температуре —18
°С всего 1300—2600 мм2/с.
Это обеспечивает хорошую прокачиваемость масла и пуск
двигателя и условиях низких температур.
Для загущенных масел проявление структурной вязкости
характерно в более широком интервале низких температур, чем для обычных
масел, поэтому следует осторожно пользоваться сеткой Вальтера или Рамайя для
построения их вязкостно-температурных характеристик. Линейная зависимость
характеристик в указанных координатах нарушается еще до температуры
застывания таких масел.
|