Лекція 11 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 в мм²/с при 100⁰С; SАЕ 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 по оливній системі, охолодження тертьових поверхонь, винесення продуктів зношення 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.

Найбільше зношування двигуна - це 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 порівняно з в'язкістю літніх олив. До того ж, використання взимку літніх олив веде до додаткової перевитрати палива (іноді до 8...10%).

В 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.

Для кожного конкретного двигуна мусить бути критичне значення в'язкості оливи, нижче якого збільшується швидкість зношування двигуна.

Чим менше 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 провокує підвищення витрат оливи, погіршення ущільнення поршнів та поршневих кілець, передчасне сильне зношування підшипників тощо. Відчутне підвищення витрат оливи та зношування двигуна при високих температурах може бути при значеннях в’язкості при 100⁰С менше 4 мм²/с. Такі оливи мають відносно невисокі температури початку кипіння і підвищену випаровуваність.

Олива в зоні 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 низького тиску оливи в системі або нестачі оливи, що подається у підшипник. Низький тиск оливи може бути, наприклад, наслідком несправності оливних насосів, послаблення або зношування корінних чи шатунних підшипників колінчастого вала (тобто причиною може бути технічний стан двигуна), або використання оливи дуже малої в'язкості, чи при розведенні оливи паливом, що не згоріло.

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.

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.

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 краще 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 прокачуванної 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 в циліндрі. Теплоємність оливи невелика, складає близько 2,1 кДж/(кг·⁰С). З підвищенням температури теплоємність оливи 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 теплопровідності 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 в декілька разів більше 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 у системі може спровокувати 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 спостерігається підвищення в'язкості оливи за рахунок випаровування низькокиплячої фракції оливи, розкладу присадок. Це відчутно при використанні оливи з в'язкістю, значно меншою необхідного рівня для визначеного двигуна, або використанні загущених олив, основа яких має малу в'язкість для певних кліматичних умов та двигуна. Небажана робота двигуна на оливі високої в'язкості, бо спричинює перевитрати оливи і палива, підвищення токсичності відпрацьованих газів.

Таким чином, при доборі в’язкості моторної оливи є деякі протиріччя.

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

Моторні оливи працюють в 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 в змозі забезпечити швидкість обертання колінчастого вала, необхідну для утворення паливо-повітряної суміші, здатної до запалювання. Одночасно треба приймати до уваги технічний стан двигуна. При температурах повітря нижче мінус 25⁰С пуск двигуна може бути ускладнений або навіть неможливий без додаткових заходів полегшення пуску (прогріву, підігріву і т.п.).

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) та ущільнення в циліндро-поршневій групі і зменшення витрат оливи. Значення в’язкості оливи при високій температурі є одним з факторів, що впливає на втрати оливи в двигуні.

Виходячи з цього, в'язкість оливи повинна щонайменше змінюватись 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, вище індекс в’язкості. Індекс в’язкості визначається порівнянням в'язкісно-температурних властивостей оливи, для якої визначається індекс в'язкості, з в'язкісно-температурними властивостями еталонних олив. Серія (еталони) парафінистих олив (отриманих з пенсільванської нафти) має індекс в'язкості 100; для серії високонафтенових олив (отриманих з каліфорнійської нафти) індекс в’язкості прийнятий за 0. Високе значення індексу 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, метода виготовлення та очистки (чистоти) оливи.

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 100⁰С рівним 3, 4, 5, 6 та інш., мм²/сек), що мають високий індекс в'язкості, з добавленням в'язкісних присадок. Кількість присадки розраховують, виходячи з необхідного рівня в'язкості готового (товарного) продукту.

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. 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 100⁰С) 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/с при 100⁰С – 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/І0Г₁, М-І5404І, SАЕ 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 в 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. Пуск двигуна залежить від значення в'язкості при температурі пуску (так звана “пускова” в’язкість), від конструктивних 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 провокує підвищене її зношування. Паливо, що не згоріло, стікає в оливний картер, погіршує мастильні властивості оливи. Слід уникати довгочасного прогрівання двигуна. Прогріти двигун до необхідної температури охолоджувальної рідини на холостому ході дуже часто не вдається. Рухати 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 подовжніми 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 парафіністої 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.

Значення оптимальної величини в'язкості оливи для різних двигунів, з урахуванням їх конструктивних особливостей, різне, яке ще залежить і від умов роботи. Але є нижня межа значення в'язкості для кожного конкретного двигуна, нижче якої робота двигуна на такій оливі не забезпечується надійною мастильною плівкою і призводить до підвищеного його зношування. При помірних погодних умовах (температура повітря не вища за 18⁰С) в’язкість оливи може становити SAE 30. При підвищенні температури вище 20⁰С таке значення в’язкість 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 середньообертових двигунів в’язкість повинна бути більш високою – 18-22 мм²/с (SAE 50).