5.2.1. 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; вАЕ 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 утворення 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.

Підвищенне 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 підтриму­вати достатню товщину оливної плівки, для чого необхідна відповідна в'язкість оливи. Наприклад, при роботі невеликого бензинового дви­гуна на оливах з різним значенням в'язкісті (температура головки 232 °С, температура оливи 110 °С, частота обертання колінчатого вала 1880 хв¹) 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'язкісті (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. Мапов'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.

К.В. 3,0

2,0

1.5

1.0+

sae зо

0,51 «>

Рис 4. Вплив в'язкості оливи (V₁₀₀, ммР/с) _і на її витрати на угар - коесріцієнт витра-

,9 41 Й н£ ЇЗІЗ 15.9 w^Vc ^ти (^КВ)

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 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 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.

Пщ 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 над-дувних двигунах - до 10%. Кількість теплоти, що відводить олива, залежить від ряду факторів: конструкції двигуна, ступеня форсова-ності, 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. З 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 вцілому.

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-по-вітряної суміші, здатної до запалювання. Одночасно треба брати до уваги 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'язкіс-но-температурних властивостей оливи, для якої визначається індекс в'язкості, із в'язкісно-температурними властивостями еталонних олив. 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 ма-лов'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.

Як присадки для підвищення індексу в'язкості використовують різні полімери. Для досягнення визначеного значення індексу в'яз­кості в базових оливах необхідна оптимальна концентрація в'язкіс-ної 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 деполімери-зуватись. У такому разі в'язкість оливи зменшується. При доборі типу з'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/с 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-бз/ЮГ,, 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. Деп-ресатори 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-депресато-ра. 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 5 МПа. Деталі двигуна працюють при значних тисках. Так, у підшипниках колінчастого вала тиск становить 15 МПа і більше, у втулках поршневих головок шатуна - до 50-90 МПа, в парі кула­чок - штовхач механізму газорозподілення - 500 МПа і вище тощо.

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. 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 погодних умовах (температура повітря не вища за 18 °С) в'язкість оливи може становити БАБ 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 (БАБ 40). Для мало- та середньоо-бертових двигунів в'язкість повинна бути більш високою - 18-22 мм²/с (БАБ 50).