В'язкість та в'язкісно-температурні властивості

В'язкість - один з найважливіших показників якості олив. За цим показником передусім підбирають оливу для відповідного двигуна залежно від його конструкції, технічного стану, кліматичних умов, умов експлуатації. До маркірування олив входить значення в'язкості у вигляді цифрового індексу, наприклад, М-10Г2, де цифра "10" означає в'язкість у мм2/с при 100 °С; SAE 40 - за міжнародною класифікацією, де число "40" - значення в'язкості в секундах Сейболта, поділене на 2.

Від значення в'язкості оливи залежать втрати потужності двигуна на тертя, надійність роботи тертьових деталей та їх зношування, легкість пуску двигуна, прокачування оливи пооливній системі, охолодження тертьових поверхонь, винесення продуктів зношування та інших твердих речовин із зони тертя, втрати оливи на угар. В'язкість оливи для певного типу двигуна має велике значення для забезпечення відповідної мастильної плівки з урахуванням амортизаційних властивостей тертьових поверхонь в умовах великих обертів, навантажень і температур.

При малому значенні в'язкості (меншому за необхідне для даного двигуна) рідкий шар оливи на може утриматись у зазорах, погіршується їх ущільнення між поршнем і циліндром, збільшується кількість оливи, яка закидається в камеру згорання, що провокує підвищення нагароутворення та угворення відкладень на свічках запалювання у двигунах з примусовим запалюванням. Відкладення на свічках можуть спричиняти перебої в запалюванні суміші; нагароутворення провокує розжарювальне запалювання та детонацію.

Найбільше зношування двигуна - пускове. Олива з меншою в'язкістю при низькій температурі краще прокачується по системі, швидше надходить до тертьових поверхонь, зменшуючи зношування двигуна під час пуску за рахунок зменшення крутного моменту колінчастого вала порівняно з використанням оливи підвищеної в'язкості. Тому в'язкість зимових олив менша на відміну від в'язкості літніх. До того ж використання взимку літніх олив призводить до додаткової перевитрати палива (іноді до 8-10%).

У момент пуску двигуна і перший час прогрівання мастильним матеріалом є плівка, що залишилась на стінках циліндра, кілець,

поршня. Але ця тоненька плівка може бути змитою паливом, що не згоріло. Пуск двигуна в холодну погоду з додатковою кількістю палива (з прикритою повітряною заслінкою) провокує підвищене зношування двигуна більшою кількістю палива, що не згоряє і стікає в оливний картер.

Під час пуску та прогрівання двигуна має місце корозійне зношування. Цьому сприяють низькі температури повітря та продукти згоряння палива, що конденсуються.

Підвищення зношування деталей двигуна виникає при недостатній кількості оливи або невідповідності її якості конкретному двигуну. Тоненька плівка оливи, яка знаходиться між тертьовими поверхнями, запобігає виникненню "оливного голодування" особливо в момент холодного пуску двигуна між поршнем і зоною поршневих кілець.

При роботі двигуна на робочих поверхнях необхідно підгримувати достатню товщину оливної плівки, для чого необхідна відповідна в'язкість оливи. Наприклад, при роботі невеликого бензинового двигуна на оливах з різним значенням в’язкості (температура головки 232 °С, температура оливи 110 °С, частота обертання колінчатого вала 1880 хв^-1) зношування двигуна становило:

В'язкість оливи при 98,9 °С, мм²/с	3,25	5,92	7,23	11,24	18,42
Зношування двигуна г, Fe	7,8	7,8	7,7	6,7	5,6

При роботі невеликого двохтактного дизеля на оливах з різним значенням в’язкості (температура стінки системи охолодження 150 °С, температура стінок циліндра 220 °С на висоті верхнього кільця) зношування кільця становило:

В'язкість оливи при 98, 9 °С, мм²/с	5, 88	7, 22	11, 00	14, 50	16, 6	18, 30
Зношування кільця (втрата маси), г	9, 0	3, 4	1, 4	0, 9	0, 7	0, 5

Чим вища в'язкість оливи, тим менше зношування двигуна при високих температурах. Малов'язка олива не може утворити оливну плівку достатньої товщини на тертьових поверхнях при високих температурах.

Чим менша в'язкість оливи, тим краще її прокачування по оливній системі (що особливо важливо для холодної погоди), відведення теплоти від тертьових деталей, більш висока чистота останніх. При високих температурах повітря або при роботі двигуна у важких умовах занадто мала в'язкість оливи зумовлює підвищення витрат оливи на угар, погіршення ущільнення поршнів та поршневих кілець, передчасне сильне зношування підшипників тощо. Відчутне підвищення витрат оливи та зношування двигуна при високих температурах може бути, коли значення в'язкості при 100 °С менше 4 мм²/с (рис. 4). Такі оливи мають відносно невисокі температури початку кипіння і підвищену випаровуваність.

Олива взоні тертя виконує функції охолодження і змащування, в тому числі й у підшипнику. Без достатньої кількості оливи в зоні тертя і при поганій її циркуляції по системі або при використанні оливи дуже малої в'язкості підшипники швидко перегріваються, розплавляються і виходять з ладу. Недостатня кількість оливи може бути результатом її низького тиску в системі або нестачі оливи, що подається у підшипник. Низький тиск оливи може виникнути внаслідок несправності оливних насосів, послаблення або зношування корінних

Рис. 4. Вплив в'язкості оливи (V100 мм²/с) на її витрати на угар - коефіцієнт витрати (KB)

чи шатунних підшипників колінчастого вала (тобто причиною може бути технічний стан двигуна), або внаслідок використання оливи дуже малої в'язкості, чи розведенні її паливом, що не згоріло.

Для підшипників важливим є амортизаційний ефект, який забезпечується, передусім, відповідною в'язкістю оливи. Для двигунів вантажних автомобілів та іншої техніки, що працює з великими навантаженнями на підшипники, це особливо важливо. Для них слід використовувати оливи підвищеної в'язкості порівняно із в'язкістю олив для легкових автомобілів.

Великий тиск оливи в системі під час пуску двигуна взимку - явище звичайне, забезпечується високою в'язкістю оливи при низьких температурах. При прогріванні двигуна тиск оливи повинен зменшуватись до нормального. Якщо цього не відбувається, необхідно знайти причину.

Згідно з гідродинамічною теорією, товщина оливного шару в підшипнику залежить від в'язкості оливи, швидкості обертання колінчастого вала, навантаження на підшипник, від форми і стану тертьових поверхонь. Під час обертання вала між валом і підшипником утворюється своєрідний клин. Під тиском цього клину вал немовби "спливає" в підшипнику. При цьому він не торкається стінок підшипника, не відбувається тертя між металевими поверхнями. Високий тиск оливи в системі збільшує і робить більш надійним амортизаційний ефект оливи між підшипником і колінчастим валом Чим вище в'язкість оливи і швидкість обертання колінчастого вала, тим товщий шар оливи утворюється між валом і підшипником.

Тут існує деяка суперечність. З одного боку, підвищення в'язкості і швидкості обертання колінчастого вала сприяє рідинному тертю, збільшенню несучої спроможності оливного шару, а з другого - підвищення в'язкості оливи спричинює збільшення втрат потужності двигуна на внутрішнє тертя оливи. Цю суперечність усувають підбором оливи відповідної в'язкості, щоб вона була мінімальною, але достатньою для створення рідинного мащення, запобігання витіканню оливи через нещільності, виникнення "оливного голодування" у вузлах тертя надмірного проникнення до камери згоряння.

Недостатня кількість оливи в картері, низький технічний стан оливної системи можуть бути причиною поганої циркуляції оливи по системі. Для запобігання контакту "метал - метал" олива повинна мати відповідну в'язкість, надходити у достатній кількості і під належним тиском.

Під час будь-якого тертя виділяється теплота. Щоб запобігти перегріванню і передчасному зношуванню тертьових поверхонь, треба їх охолоджувати. Це частково виконує олива. Тому, наприклад, чим більше оливи перетікає через підшипник, тим кращий його температурний стан. Олива відводить до 1,5-4,5% теплоти, в наддувних двигунах - до 10%. Кількість теплоти, що відводить олива, залежить від ряду факторів: конструкції двигуна, ступеня форсованості, режиму роботи, кількості прокачуваної оливи, температурного стану. Майже 50% теплоти олива отримує при зіткненні з гарячими деталями (поршнем, кільцями, гільзами), решту - в результаті тертя в підшипниках двигуна і поршня у циліндрі. Теплоємність оливи невелика, становить близько 2,1 кДж/(кг °С). З підвищенням температури теплоємність трохи збільшується. На інтенсивність теплопередачі і температуру циліндро-поршневої групи значно впливає оливна плівка між поверхнями циліндра, поршневих кілець і поршня. Теплопровідність оливної плівки приблизно в 4 рази більша за теплопровідність повітря. Тому при збільшенні зазору між циліндром і поршнем температура цих деталей і кілець може зрости за рахунок погіршення теплопередачі. При цьому підвищується зношування ЦПГ та витрати оливи.

Значне зменшення в'язкості оливи порівняно з нормативною величиною для кожного двигуна впливає на витрати оливи, яка проникає через поршневі кільця в камеру згоряння, збільшуючи витрати на угар. Тут має місце така ж тенденція, як і при збільшенні зазорів. Витрати оливи на угар у зношених двигунах у декілька разів більші порівняно з витратами оливи на угар у нових двигунах. Тиск в оливній системі зношених двигунів падає. Для його підвищення не можна використовувати оливи з високою в'язкістю, бо це призводить до ще більшого зношування двигуна, незважаючи на тимчасове підвищення тиску оливи у системі. Використання авіаційних олив в автомобільних двигунах легкових та вантажних автомобілів з метою підвищення тиску в системі може спровокувати в подальшому відмови системи змащення.

Використання малов'язкої оливи підвищує можливість витікання оливи через ущільнення, виникнення "оливного голодування" у вузлах тертя.

Під час роботи двигуна на форсованому, високотемпературному режимі може спостерігатися підвищення в'язкості оливи за рахунок випаровування низькокиплячої фракції оливи, розкладу присадок. Це відчутно при використанні оливи із в'язкістю, значно меншою за необхідний рівень для визначеного двигуна, або при використанні загущених олив, основа яких має малу в'язкість для певних кліматичних умов та двигуна. Робота двигуна на оливі високої в'язкості небажана, бо спричинює перевитрати оливи і палива, підвищення токсичності відпрацьованих газів, 3 практичної точки зору використання оливи із значенням в'язкості вище допустимого (незначного) для даного двигуна суттєво не впливає на його потужність і витрати палива. Більш шкідливим для двигуна є використання оливи з малою в'язкістю (наприклад, зимової оливи влітку).

Вибір необхідної в'язкості оливи для. визначеного двигуна залежить від його конструкційних особливостей, умов роботи (температури, навантаження, швидкості тощо), технічного стану двигуна та машини в цілому.

Моторні оливи працюють у широкому діапазоні температур: від низьких (особливо взимку), які впливають на легкість пуску двигуна та "пускове" зношування, до високих температур при роботі двигуна, особливо в зоні поршневих кілець. В'язкість олив змінюється із зміною температури. Різні оливи змінюють свою в'язкість із зміною температури по-різному. Оливи повинні забезпечувати легкий пуск двигуна за низьких температур оточуючого повітря, тобто мати мале значення в'язкості. Холодні плівки оливи великої в'язкості в підшипниках і на стінках циліндрів не спроможні забезпечити швидкість обертання колінчастого вала, необхідну для утворення паливо-повітряної суміші, здатної до запалювання. Одночасно треба брати до увага технічний стан двигуна. При температурах повітря, нижчих мінус 25 °С, пуск двигуна може бути ускладнений або навіть неможливий без додаткових заходів його полегшення (прогрівання, підігрівання тощо).

За високих температур у працюючому двигуні в'язкість оливи повинна бути високою для забезпечення достатньої кількості оливи для нагрітих частин двигуна (в першу чергу - плівки в циліндро-поршневій групі), ущільнення в циліндро-поршневій групі і зменшення витрат оливи Значення в'язкості оливи при високій температурі є одним із факторів, що впливає на витрати оливи у двигуні.

Виходячи з цього, в'язкість оливи повинна щонайменше змінюватися із зміною температури Виміром взаємозв'язку в'язкості і температури є індекс в'язкості. Індекс в'язкості є безрозмірним умовним показником, який характеризує ступінь зміни в'язкості із зміною температури. Чим менше змінюється в'язкість оливи зі зміною температури, тим кращі її в'язкісно-температурні властивості, вищий Індекс в'язкості. Індекс в'язкості визначається порівнянням в'язкісно-температурних властивостей оливи, для якої визначається індекс в'язкості, із в'язкісно-температурними властивостями еталонних олив. Серія (еталони) парафінистих олив (отриманих із пенсільванської нафти) має індекс в'язкості 100; для серії високонафтенових олив (отриманих з каліфорнійської нафти) індекс в'язкості взятий за 0. Високе значення індекса в'язкості визначає малу зміну в'язкості із зміною температури порівняно з оливою з малим значенням індексу в'язкості. Індекс в'язкості оливи залежить від хімічного складу нафти, з якої вона отримана, методу виготовлення та очистки (чистоти) оливи. Так, оливи, отримані з різних нафт, мають такі індекси в'язкості (приблизні):

Нафта, з якої отримана олива	Індекс в'язкості
Пенсільванія
Центральні райони США
Колумбія
Перу
Мексиканська затока

Оливи з малими значеннями індексів в'язкості для двигунів не використовуються. Оливи з високим індексом в'язкості порівняно з тими, що мають низький індекс в'язкості, забезпечують більш легкий пуск двигуна за низьких температур оточуючого середовища, кращу подачу і циркуляцію оливи під час прогрівання двигуна та змащення прогрітих його частин, ущільнення (особливо в ЦПГ) і зменшення витрат оливи, бо менша її кількість попадає в камеру згоряння. На витрати оливи впливають ще багато факторів, такі як технічний стан двигуна, якість палива, умови роботи.

Оливи з високим індексом в'язкості безпосередньо з нафти не можуть бути отримані навіть при найсучасніших методах переробки та очистки. Оливи з індексом в'язкості до 100 мають сезонне використання (влітку або взимку).

Для покращення індексу в'язкості готують так звані загущені оливи із значенням індексу в'язкості вище 120. Їх одержують з малов'язких олив з урахуванням кліматичних зон (із значенням в'язкості при 100 °С, рівним 3, 4, 5, 6 та ін., мм²/с), що мають високий індекс в'язкості, з добавленням в'язкісних присадок. Кількість присадки розраховують, виходячи з необхідного рівня в'язкості готового (товарного) продукту. При добавці присадки підвищується в'язкість, дещо змінюється характер в'язкісно-температурної кривої. При порівнянні загущеної і незагущеної оливи (рис. 5, криві 2 і 3 відповідно), які мають однакове значення в'язкості. При 100 °С, видно, що значення в'язкостей цих олив при інших температурах не збігаються: незагущена олива змінює свою в'язкість із зміною температури більш різко порівняно із загущеною.

Рис. 5. В'язкісно-температурні властивості олив: 1 - оливна основа для виготовлення загущеної оливи, 2 - загущена олива, 3 - незагущена олива

Як присадки для підвищення індексу в'язкості використовують різні полімери. Для досягнення визначеного значення індексу в'язкості в базових оливах необхідна оптимальна концентрація в'язкісної присадки. Присадки більш ефективні (для підвищення індексу в'язкості) при добавках в оливи з малим значенням в'язкості базової оливи, але при певному хімічному складі.

Ефективні в'язкісні присадки повинні мати високу стабільність до спрацювання, стійкість до окислення, властивість протистояти механічному спрацюванню. Останнє проявляється при енергійному перемішуванні, дії високих тисків і швидкостей зсуву. Мінеральні оливи без присадок є ньютонівськими рідинами в усьому інтервалі температур: значення в'язкості при визначеній температурі є величиною постійною і не залежить від швидкості зсуву. Оливи, що містять в'язкісні присадки, можуть бути неньютонівськими рідинами, і за певних умов значення в'язкості залежить не тільки від температури, але й від швидкості зсуву. Під впливом високих навантажень, швидкостей зсуву та температур в'язкісні присадки можуть деполімеризуватись. У такому разі в'язкість оливи зменшується. При доборі типу в'язкісної присадки враховуються конкретні умови роботи оливи і базова основа.

В'язкість базової основи для приготування загущеної оливи впливає на витрати оливи: мале значення в'язкості (наприклад, < 4 мм²/с при 100 °С) провокує більш високі втрати оливи, бо малов'язка олива має високу випаровуваність (низькі температури кипіння) порівняно з оливою, що має більш високі значення в'язкості. Використання базової оливи з великим значенням в'язкості (наприклад, > 8 мм²/c при 100°С - SAE 20) не забезпечує хороших низькотемпературних властивостей.

Загущені оливи використовують всесезонно, позначаються вони подвійно: перша цифра - в'язкість базової оливи, друга - товарної, наприклад, М-6з/10Г1, М-154041, SAE 10W/40.

Для олив, що працюють при низьких температурах, має значення їх рухомість за цих температур. Оливи з дуже великою в'язкістю або такі, що втратили рухомість, використовувати не можна. Втрата рухомості оливи у стандартних умовах дослідження називається температурою застигання. Цей показник умовний, але він широко використовується для визначення температури, до значення якої олива ще здатна рухатись. Від значення температури застигання пуск двигуна не залежить. Він залежить від значення в'язкості при температурі пуску (так звана "пускова" в'язкість), від конструкційних особливостей двигуна, якості палива.

За низької температури повітря для полегшення пуску двигуна на значний час прикривають повітряну заслінку. При цьому витрачається велика кількість палива, що не повністю згоряє, але змиває оливну плівку з циліндро-поршневої групи і зумовлює підвищене її зношування. Паливо, що не згоріло, стікає в оливний картер, погіршує мастильні властивості оливи. Слід уникати довгочасного прогрівання двигуна. При низькій температурі повітря прогріти двигун до необхідної температури охолоджувальної рідини на холостому ході дуже часто не вдається. Рушати з місця слід відразу, як встановиться тиск оливи. Це запобігає підвищеному зношуванню двигуна і передчасному спрацюванню оливи.

Оливи із значним вмістом н. парафінових вуглеводнів або нафтенових з поздовжніми парафіновими ланцюгами мало змінюють свою в'язкість із зміною температури, тобто мають високі індекси в'язкості. Але одночасно мають високу температуру застигання - погані низькотемпературні властивості.

Для покращення низькотемпературних властивостей на нафтопереробних заводах з оливних фракцій, що отримані з парафінистої нафти, видаляють частину н. парафінових вуглеводнів. Також до олив, що працюють при низьких температурах, додають депресорні присадки, які знижують температуру застигання оливи. Депресатори зменшують розмір кристалів парафінів, що кристалізуються при охолодженні оливи, і тим запобігають утворенню монолітної кристалічної решітки. Оливи, отримані з нафти з великим вмістом полі-циклічних ароматичних, нафтенових (асфальтової основи) вуглеводнів з низьким значенням індексу в'язкості, не потребують депарафінізації і введення депресаторів. Оливи асфальтової основи мають хороші низькотемпературні властивості.

Деякі оливи, у складі яких є депресатори, іноді показують несталу температуру застигання: її значення може стати рівним значенню температури застигання оливи до введення присадки-депресатора. Таке явище може відбуватися при зберіганні олив в умовах різких коливань температури. На експлуатацію оливи в двигунах явище "обертання" температури не впливає, але можуть виникнути ускладнення при видачі оливи з ємкості. Сучасні високоефективні депресорні присадки, як правило, виключають можливість прояву явища "обертання" температури застигання оливи.

На зміну в'язкості оливи впливає тиск, особливо при значеннях, вищих від 5МПа. Деталі двигуна працюють при значних тисках. Так, у підшипниках колінчастого вала тиск становить 15МПа і більше, у втулках поршневих головок шатуна - до 50-90 МПа, в парі кулачок- штовхач механізму газорозподілєння - 500 МПа і вище. З підвищенням температури вплив тиску на в'язкість оливи зменшується. Загальна закономірність впливу тиску на в'язкість оливи: з підвищенням тиску в'язкість усіх олив збільшується. Ступінь зміни в'язкості із зміною тиску залежить від хімічного складу оливи. Оливи парафінової основи, з високим індексом в'язкості, змінюють в'язкість із зміною тиску менше, ніж оливи асфальто-смолистої (ароматичної) основи (табл. 52).

Таблиця 52. Вплив тиску і температури на зміну в'язкості олив різного хімічного складу

Олива	Кратність збільшення в'язкості при дії тиску, кг/см²

54 °С	100 °С	54 °С	100 °С
Олива мінеральна парафінова
Олива мінеральна асфальтова
Рицинова олія	-		-

В'язкість малов'язких олив при зміні тиску змінюється менше, ніж високов'язких. Складна залежність впливу тиску від зміни в'язкості оливи спричиняє ускладнення розрахунків вузлів тертя, що працюють при великих значеннях тиску.

Значення оптимальної величини в'язкості оливи для різних двигунів, з урахуванням їх конструкційних особливостей, різне, яке ще залежить і від умов роботи. Але є нижня межа значення в'язкості для кожного конкретного двигуна для роботи влітку, нижче якої робота двигуна на такій оливі не забезпечується надійною мастильною плівкою і призводить до підвищеного його зношування. При помірних лагідних умовах (температура повітря не вища за 18 °С) в'язкість оливи може становити SAE 30. При підвищенні температури вище 20 °С таке значення в'язкості в більшості двигунів не забезпечує належного тиску в оливній системі. Найбільш розповсюдженим рівнем в'язкості при використанні оливи в двигунах легкових та маловантажних автомобілів, мікроавтобусів влітку в кліматичних умовах України є 10-14 мм²/с (SAE 40). Для мало- та середньо-обертових двигунів в'язкість повинна бути більш високою - 18-22 мм²/с (SAE 50).

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
МОТОРНІ ОЛИВИ	\|	Протизношувальні властивості

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.005 сек.