Вязкостные свойства масел

Вязкостные свойства масел

Вязкость —  одна из важнейших характеристик  смазочных масел. От нее зависит не только создание жидкостного трения в различных узлах, но также их охлаждение, уплотнение, легкость запуска и др. Именно поэтому значение кинематической вязкости указывают в марках многих масел. В зависимости от условий работы масел их вязкость нормируют при разной температуре: например, для трансформаторных при 20°С, для индустриальных при 50° С, а для моторных при 100° С.

Кинематическую вязкость определяют следующим образом. В вискозиметре при заданной температуре отмечают продолжительность истечения испытуемой жидкости в объеме шаровой емкости, через капилляр. Вискозиметр, заполненный маслом в объеме двух шаровых емкостей, устанавливают в ванну, в которой поддерживают заданную температуру. Длительность истечения определяют по секундомеру. Умножив постоянную вискозиметра, которая указана в его паспорте, на время истечения в секундах, получают значение кинематической вязкости в сантистоксах. Чем гуще продукт и ниже температура, при которой нужно определить вязкость, тем с большим капилляром выбирают вискозиметр.

Вязкость  масел оказывает существенное влияние  на работу механизмов. В каждом конкретнее случае нужно правильно подобрать ее оптимальное значение. Если механизм изношен, зазоры увеличены, лучше взять более густое масло. Масла с повышенной вязкостью также нужны, если автомобиль работают в условиях значительной запыленности, при высокой температуре окружающего воздуха, с резко переменными нагрузками.

При подборе масел необходимо учитывать, что их вязкость зависит от температуры. Для всех масел характер зависимости один: чем ниже температура, тем больше вязкость. Однако степень изменений различна и определяется химическим составом масла. Поскольку в масла входят многие тысячи различных углеводородов, то предугадать их поведение при изменении температуры невозможно. Поэтому в стандартах на моторные масла приводят значение вязкости не только при 100° С, но и при 0°С (иногда при —18°С), а также, индекс вязкости(безразмерная величина, показывающая степень изменения вязкости в зависимости от температуры по сравнению с эталонными маслами). Определить этот показатель можно по графикам или таблицам, которые приведены в технических требованиях на нефтепродукты, для чего необходимо знать значение вязкости при 50 и 100° С.

Чем больше меняется вязкость с изменением температуры, тем хуже вязкостные свойства и ниже индекс вязкости. Масла с высоким индексом обеспечивают достаточную вязкость при высокой рабочей температуре, а при низкой — зимой — не густеют настолько, чтобы затруднить пуск двигателя.

Минеральные масла обычно имеют недостаточно хорошие вязкостно-температурные свойства: если обеспечивается жидкостное трение при рабочей температуре, то трудно запустить двигатель зимой, и наоборот. Для того чтобы повысить индекс вязкости, добавляют вязкостные присадки, масла с ними называют загущенными. В качестве загущающих присадок используют полимерные соединения цепочного строения с большой молекулярной массой. Сравнительно небольшое (3—4%) количество полимера в маловязком масле почти не меняет его вязкость при низкой температуре, так как молекулы присадок свернуты в тугие спирали малого объема. При высокой рабочей температуре спирали расправляются, занимая большой объем, вязкость повышается.

Полусинтетические масла.

(Synthetic, Semi-Synthetic, Synthetic Based, Synthetic Blend)

Полусинтетические масла, как  правило, содержат в базовом продукте смесь продуктов перегонки и  ПАО плюс пакет функциональных присадок, причем синтетический компонент  составляет 20—40%. Они улучшают условия  пуска холодного двигателя, эффективно очищают двигатель и обеспечивают хорошую защиту от износа. Типовое  значение вязкости 10W40

Синтетические масла.

Синтетические масла — лучшее из того, что предлагает современная  нефтехимия. Они обладают рядом преимуществ  по сравнению с минеральными. Они легкотекучие, следовательно, обеспечивают меньшие потери мощности на трение и, как следствие, снижение расхода топлива и имеют самые низкие температуры прокачки, т. е. позволяют работать двигателю даже при температуре ниже минус 30 С. Они имеют меньшую испаряемость при высокой температуре, повышенный срок службы. Главный недостаток, ограничивающий их повсеместное применение, это большая цена. Синтетические масла в среднем в два-пять раз дороже минеральных.

Компромиссное решение — «коктейль» из синтетической и минеральной  основ. «Полусинтетика» дешевле, но несколько уступает по качеству и сроку службы. Ее можно использовать в высокофорсированных бензиновых двигателях и дизелях, а также в двигателях с турбонаддувом.

Другой компромисс — облагораживание  минерального масла в ходе процесса гидрокрекинга: продукт получается близким по исходным свойствам, но стареет  такое масло еще быстрее. Кстати, многие известные компании не утруждают  себя точными формулировками, выдавая  «гидрокрекинг» за «полусинтетику» и даже за «синтетику». Пример честной конкуренции: Castrol открыто называет легкотекучее масло GTX 5 Lightec продуктом гидрокрекинг-синтеза, a Carlube даже занижает достоинства серии Vectron, называя свои аналогичные масла минеральными.

Минеральные масла наиболее дешевые  и используются в двигателях средней  напряженности. Использование этих масел на отечественных автомобилях  самое оптимальное. Выигрыш в  уменьшении потерь на трение и снижении расхода топлива при использовании  синтетики или полусинтетики может и не покрыть значительных затрат на масло.

Оценивая  пусковые свойства, необходимо принимать во внимание и температуру застывания. Этот показатель тесно связан с вязкостью: температура застывания значительно ниже у легкоподвижных масел (трансформаторные, приборные около — 50—60° С). Летние моторные масла застывают при —10—15°С, что удается достичь удалением парафиновых углеводородов при очистке. Получать зимние масла с температурой застывания —25—30°С глубоким удалением парафина экономически невыгодно. В этом случае целесообразно использовать присадки, снижающие температуру застывания — депрессоры.

При охлаждении из масла выделяются кристаллы парафина, которые соединяются  между собой, образуя как бы соты. Внутри ячеек находится жидкость, но пластины мешают ее движению, масло теряет подвижность. Депрессоры, вводимые в количестве до 1%, на поверхности кристаллов парафина создают защитные пленки, не позволяющие образовывать каркас. Поэтому масло сохраняет текучесть до более низкой температуры. При правильном подборе сырья и присадок можно снизить температуру застывания зимних масел на 20—25° С.

В производственных условиях для облегчения запуска двигателей зимой иногда прибегают к разбавлению масел бензином, дизельным топливом, индустриальными маслами. При этом действительно удается облегчить пуск. Но при рабочей температуре вязкость становится недостаточной, ухудшаются и другие эксплуатационные свойства. С этой точки зрения лучше разбавлять масло неэтилированным бензином (до 10%), который примерно через 25—30 мин работы двигателя  испаряется, и вязкость масла восстановится. Однако пользоваться этим методом следует только в самых крайних случаях.

Вязкостно-загущающие присадки. Для придания маслу хороших вязкостно-температурных свойств в него вводят высокомолекулярные полимеры - полиизобутилены, полиметакрилаты и другие. Механизм их действия основан на изменении формы макромолекул полимеров в зависимости от температуры. В холодном состоянии эти молекулы, будучи свернутыми в спиральки, не влияют на вязкость масла, при нагреве же они распрямляются, и масло густеет, или, точнее, не становится слишком жидким. Масла, в состав которых входят вязкостные присадки (до 10%), называют загущенными - это зимние и всесезонные сорта.

В России пока еще производится большое  количество сезонных масел (в основном из-за их низкой стоимости), например, М8ДМ, М8В (SAE 20), М10Г2к, М10ДМ (SAE 30).

Тем не менее, ведущие производители  сегодня в большинстве своем  производятся именно всесезонные масла, применение которых позволяет эксплуатировать  технику в широком температурном  диапазоне, не прибегая к сезонным заменам  масла.

Способ получения всесезонных  масел достаточно прост. Благодаря  введению в состав зимних масел полимерных вязкостно-загущающих присадок (иногда их называют загустителями, рис. 1) удается повысить их кинематическую вязкость при высоких (рабочих) температурах двигателя, т.е. компенсировать недостаток, присущий зимним маслам, и обеспечить такие вязкостные свойства как у летних масел (рис.2). Т.е. фактически эта присадка повышает индекс вязкости масла.

Схема работы вязкостно-загущающей присадки (рис. 3) заключается в следующем:

При низких температурах молекула полимера уменьшается в объеме/размерах и  таким образом не оказывает никакого влияния на кинематическую вязкость масла, при повышении температуры  масла молекула полимера начинает увеличиваться  в объеме и способствует тому, что  вязкость снижается в меньшей  степени, чем это было бы без такой  присадки.

В зависимости от количества добавленной  вязкостно-загущающей присадки можно получить масла с разными вязкостями. Например, возьмем зимнее масло SAE 0W. В зависимости от количества присадки мы сможем получить масла с вязкостями соответственно 0W-30, 0W-40, 0W-50, 0W-60… Важно помнить, что чем выше изначальный индекс вязкости базового масла, тем меньше вязкостно-загущающей присадки необходимо добавлять. Например, индекс вязкости синтетического базового масла Shell XHVI может достигать 140, поэтому возможно получить моторное масло, не содержащее загустителей.

Современные тенденции в области  разработки моторных масел направлены на создание моторных масел с невысокими диапазонами вязкостей: SAE 0W-20, 5W-20, 0W-30, 5W-30. Причина заключается в том, что такие масла, как правило, обеспечивают энергосберегающие свойства (т.е. позволяют экономить топливо) и содержат невысокое количество загустителя или вообще его не содержат. Чем большое количество загустителя в моторном масле  опасно для двигателя? Сложность  заключается в том, что в двигателе  множество пар трения, где масло  подвергается высоким сдвиговым  нагрузкам, в результате которых  происходит разрушение (деструкция) загустителя (рис. 4).

Это приводит к потере вязкости моторного  масла, ухудшению функций смазывания (уменьшение толщины смазывающей  пленки), а продукты деструкции загустителя  являются потенциальным источником нагаров и лаковых отложений  в двигателе. По этой причине лидеры в области производства моторных масел избегают производства моторных масел с вязкостями 0W-50/0W-60. Часто  встречающиеся масла с вязкостями 5W-50/10W-60 ориентированы исключительно  на спортивное применение и, как правило, не рассчитаны на удлиненные интервалы  замены. Они предназначены только для экстремальных условий эксплуатации, в которых наиболее важны высокие вязкостные свойства, а не их стабильность с течением времени.

ЗаключениеСмазочные материалы являются сложными композициями моторного масла и присадок, в состав которых входят многие компоненты, обусловливающие их свойства. Неправильно выбранный смазочный материал затрудняет нормальную эксплуатацию техники, сокращает моторесурс ДВС и снижает надежность эксплуатации. Запас эксплуатационных свойств моторного масла позволяет увеличить сроки его смены на время до установленного срока технического осмотра или ремонта двигателя.

Существующее в настоящее время  независимое развитие производства двигателей и масел далее продолжаться не может, поскольку качество моторного  масла является одной из решающих причин увеличения моторесурса двигателя при его проектировании.