Моторна олива у змащувальній системі, маючи комплекс необхідних фізико-хімічних та експлуатаційних властивостей, виконує важливі і різнобічні функції. Вона зменшує тертя, спрацьовування і запобігає виникненню задирів тертьових поверхонь. Водночас олива відводить теплоту, очищає зони тертя від продуктів спрацьовування і герметизує рухомі з'єднання, у тому числі в зоні циліндро-поршневої групи. Отже, вона є одним з основних функціональних елементів двигуна і розглядається як складова частина його змащувальної системи.
Життя - це постійне тертя
У двигунах внутрішнього згоряння є безліч пар тертя, які різняться матеріалами, чистотою обробки і режимом роботи. Здатність оливи утворювати на твердій поверхні стабільний змащувальний шар і швидко відновлювати його в разі руйнування має вирішальне значення для зменшення тертя.
Найнесприятливішим режимом є тертя при граничному мащенні, тобто коли тертьові поверхні розділені дуже тонкою плівкою оливи, порівняно з розміром його молекул. При граничному мащенні коефіцієнт тертя залежить не від в'язкості оливи, а визначається в основному фізико-хімічними властивостями поверхні поділу «тверде тіло-олива-тверде тіло». Цей режим, як правило, реалізується у сполучених деталях, що працюють в умовах високих питомих навантажень, підвищених температур і порівняно низьких швидкостей ковзання. Найвиразніше граничний режим мащення виявляється у періоди пуску та зупинки двигуна.
Сприятливим режимом є тертя при рідинному мащенні. Його називають також гідродинамічним режимом мащення. Воно характеризується повним розділенням тертьових поверхонь шаром масла.
Очевидно, що зробити субстанцію, яка володіла б необхідними для цього властивостями, і при цьому мала б стабільні характеристики в широкому діапазоні температур, складно, оскільки діапазон робочих температур оливи в двигуні доволі широкий.
Виходячи з цього, для кожного окремо узятого двигуна виробник визначає оптимальні параметри оливи. Саме вони повинні забезпечити максимальний коефіцієнт корисної дії при мінімальному зношенні деталей за заданих умов експлуатації.
Моторна олива може тривало і надійно виконувати свої функції тільки в разі відповідності її фізико-хімічних та експлуатаційних властивостей тим термічним, механічним і хімічним впливам, яких воно зазнає у змащувальній системі двигуна і на поверхнях змащувальних та охолоджуваних деталей. Тільки при взаємній відповідності системи «моторна олива-конструкція двигуна-умови експлуатації» може бути досягнута висока експлуатаційна надійність двигуна. У жодному випадку не слід заливати в двигун оливу, в'язкість якої не передбачена виробником саме для цього механізму. Виробник врахував усі можливі режими і рекомендує саме ті параметри в'язкості, які для цього двигуна є оптимальними.
Фактори впливу
Отримання необхідних якостей олив досягають правильним поєднанням властивостей базової основи з комплексом введених присадок різного функціонального призначення.
Присадки підвищують стійкість олив проти окиснення, регулюють їх в'язкість і зменшують залежність від температури, поліпшують низькотемпературні властивості, знижують тертя і спрацьовування, запобігають схоплюванню та задиранню, корозії металів, утворенню вуглецевих відкладів на деталях двигунів внутрішнього згоряння, емульгуванню води в оливах та їх спінюванню.
До якості моторної оливи (для кожного типу двигуна залежно від умов його експлуатації) ставлять низку вимог, часто специфічних. За високих температур моторні оливи повинні зберігати достатньо високу в'язкість для забезпечення гідродинамічного режиму мащення і створення надійного ущільнення між поршнем і гільзою. За низьких температур навколишнього середовища в'язкісно-температурні властивості повинні забезпечувати можливість легкого запуску двигуна. Для забезпечення мінімального спрацьовування в умовах граничного змащення оливи повинні мати здатність модифікувати тертьові поверхні. За високих термічних впливів, яких зазнає олива в двигуні, висуваються високі вимоги до її окисної здатності та антикорозійних властивостей, особливо щодо кольорових металів. Крім того, моторні оливи повинні мати мийно-диспергуючу здатність відносно нерозчинених забруднень у поєднанні з ефективною нейтралізуючою дією, забезпечуючи чистоту деталей в усіх температурних зонах двигуна.
Останнім часом велике значення надається захисним властивостям олив для двигунів, що працюють на низькотемпературних режимах, а також із перервами в роботі - короткочасними і тривалими.
До найважливіших експлуатаційних показників мастильних матеріалів відносять їхні в'язкісні властивості. Ці властивості передусім визначають можливість і доцільність застосування тієї чи іншої оливи для конкретних вузлів та механізмів у заданих умовах роботи. Показники в'язкості характеризують втрати на тертя, тепловиділення, несучу здатність, товщину плівки мастила між деталями тощо. Від в'язкості олив залежить легкість і час запуску механізмів у роботу, здатність їх циркулювати у системі мащення, утримуватися у змащувальному вузлі та забезпечувати гідродинамічний режим мащення, а значить зводити до мінімуму втрати енергії на тертя і зменшувати зношування деталей. В'язкість також впливає на охолодження тертьових поверхонь, витік через ущільнення, очистку деталей від забруднення, фільтрацію та витрату оливи.
В'язкість - провідна характеристика
Значимість в'язкісних властивостей змащувальних олив настільки велика, що показник в'язкості є основою класифікації змащувальних олив. Однак під час вибору оливи для двигуна знання його в'язкості за одної певної температури недостатньо, щоб оцінити можливості його використання у різних умовах експлуатації.
Саме тому Американською асоціацією автомобільних інженерів (SAE) розроблена класифікація моторних олив за в'язкістю, яка описує в'язкість тієї або іншої оливи при різних робочих температурах. По суті, ця класифікація дає діапазон температур, у якому робота двигуна є безпечною, за умови, що виробник двигуна допустив моторну оливу з такими параметрами до використання саме в цьому двигуні.
Від в'язкості оливи залежать легкість і тривалість пуску двигуна, здатність оливи циркулювати в системі мащення, утримуватися у змащувальному вузлі та забезпечувати гідродинамічний режим мащення. В'язкість впливає також на охолодження тертьових поверхонь, витік через ущільнення, фільтрування та витрату оливи.
В'язкість оливи не є постійною величиною, на неї впливають ряд факторів і передусім температура: чим вона вище, тим менша її в'язкість, і навпаки. Характер цієї залежності неоднаковий для олив із різної сировини, різних способів отримання та складу. Змінювання в'язкості від температури не підкорюється лінійній залежності, особливо в межах високих температур.
Для більшості мінеральних олив характерним є різке підвищення в'язкості і повна втрата рухомості при зниженні температури. Ці явища пояснюються схильністю вуглеводнів, що входять у склад нафтових олив, до утворення аморфних або кришталевих структур. Висока в'язкість олив і втрата рухливості відбивається на надійності роботи машин та механізмів, особливо в момент пуску. Зниження температури оливи призводить до збільшення пускового моменту прокручування двигуна, запізнювання подачі оливи до поверхонь тертя і погіршення ефективності роботи оливоочисного обладнання.
За високих температур оливи розріджуються, а при охолодженні загусають або взагалі втрачають рухомість. Тому, оцінюючи якість оливи, великого значення надають функціональній залежності її в'язкості від температури. Характер зміни в'язкості залежно від температури неоднаковий для олив із різної сировини, різних способів отримання та різного складу. Чим менше вона змінюється із підвищенням або зниженням температури, тим кращі властивості оливи в експлуатації.
У міжнародній практиці для оцінки в'язкісно-температурної характеристики оливи прийнятий кількісний критерій, що називається індексом в'язкості (IB). Чим вищий JB, тим більш полога в'язкісно-температурна характеристика і тим краща олива для зимової експлуатації. Моторні оливи мають індекс в'язкості не менш як 90–125 одиниць.
Наявність відомостей про величину індексу в'язкості має важливе значення у практиці використання олив, оскільки ці дані необхідні для визначення можливого діапазону температур експлуатації машин і механізмів. Так, за низьких (мінусових) температур в'язкість низькоіндексних олив настільки підвищується, що вони втрачають рухомість і не надходять до тертьових поверхонь при пуску, а за підвищеної температури в'язкість знижується настільки, що олива видавлюється із зони тертя. Втрата рухомості олив при низьких температурах визначається вмістом у них твердих і поліциклічних ароматичних вуглеводнів, які кристалізуються і окисляються у цих умовах використання. Високоіндексні оливи, навпаки, ефективно виконують свої функції у широкому діапазоні температур.
Разом з тим, ІВ не відображає можливість використання олив в умовах низьких температур. Тому для зимових та всесезонних олив, окрім ІВ, додатково вказують значення кінематичної або динамічної в'язкості при мінусовій температурі.
Індекс в'язкості нафтових олив визначається їхнім фракційним і вуглеводневим складом. Малов'язкі оливи характеризуються високим індексом в'язкості, але при високих експлуатаційних температурах їхня в'язкість є недостатньою для створення умов гідродинамічного режиму мащення.
Для забезпечення суміщення необхідної в'язкості при робочих температурах і при пологій залежності в'язкості від температури, малов'язкі оливи загущують спеціальними в'язкісними (загущуючими) присадками.
Загущені оливи поєднують у собі добрі пускові та антифрикційні властивості, характерні для малов'язких олив за низьких температур, і добрі змащувальні властивості високов'язких олив за високих температур. Застосування загущувальних присадок дає змогу отримувати зимові і всесезонні оливи з індексом в'язкості понад 125 одиниць. У загущених оливах мала в'язкість при низькій температурі забезпечується базовою оливою, а висока в'язкість при робочих температурах - в'язкісною присадкою.
Сучасні технології отримання всесезонних олив відкривають великі можливості для варіювання їх в'язкісних властивостей. Таке варіювання досягається використанням у складі всесезонних олив наряду з базовими малов'язкими мінеральними оливами з високим індексом в'язкості синтетичних компонентів, а також базових олив гідрокрекінгу з індексом в'язкості до 150 і сумішей останніх із мінеральними і синтетичними оливами.
Про мастильну здатність
Іншою з основних експлуатаційних властивостей, що характеризують якість мастильних матеріалів, є їх мастильна здатність. Змащувальна властивість є узагальненим поняттям, що об'єднує кілька експлуатаційних властивостей олив, які впливають на процес тертя і спрацьовування контактованих поверхонь. Основними з них є антифрикційні, протиспрацьовувальні та протизадирні властивості. Оливи повинні мати високу мастильну властивість для створення на поверхні тертьових деталей міцної плівки, здатної знижувати втрати від тертя і запобігати або зменшувати їхнє зношування при робочих навантаженнях та швидкостях.
Якщо при гідродинамічному режимі мащення, відповідно до гідродинамічної теорії, змащувальна дія визначається в основному в'язкістю оливи, то в умовах граничного мащення в'язкість вже не має такого вирішального значення.
При граничному режимі мащення поверхні з'єднувальних тіл розділені шаром мастильного матеріалу товщиною всього до 0,1мкм. При цьому якість плівки оливи відрізняється від об'ємних якостей мастильного матеріалу. Але коефіцієнт тертя при граничному режимі мащення залежить не від в'язкості, а від наявності в оливі поверхнево-активних речовин і їхньої ефективності. За наявності таких плівок сила тертя знижується у порівнянні з тертям без оливи у кілька разів, а зношення тертьових поверхонь зменшується у сотні разів.
Присадки як панацея
Присадки, що вводяться в оливи для забезпечення зазначених властивостей, покликані знижувати відповідно тертя, спрацьовування тертьових поверхонь у разі порушення умов гідродинамічного режиму оливи і запобігати задиранню при надвисоких навантаженнях. Протиспрацьовувальні та протизадирні присадки містять переважно органічні сполуки сірки, фосфору, хлору та ін.
Важливою властивістю мастильних матеріалів, що характеризують їх при тривалій роботі двигуна, є стабільність проти окиснення за підвищених температур (термоокиснювальна стабільність). Термоокиснювальна стабільність характеризує схильність оливи до утворення розчинних і нерозчинних у ній продуктів окиснення.
Окиснення оливи в двигуні призводить до зміни її хімічного складу. В оливі з'являються кислоти, що мають високу корозійну агресивність, вона темнішає, стає більш в'язкою, у ній накопичуються механічні домішки органічного походження. При цьому експлуатаційні властивості оливи різко погіршуються. Вуглецевмісні речовини, що утворюються у процесі окиснення, осідають на деталях у вигляді нагару, лаку і бруду, а також призводять до значних змін фізико-хімічних та експлуатаційних показників оливи. Для підвищення стійкості проти окиснення до олив додають антиокисні присадки.
Мийно-диспергуючі властивості характеризують здатність оливи забезпечувати необхідну чистоту деталей двигуна та підтримувати продукти окиснення й забруднення у завислому стані. З підвищенням цих властивостей збільшується кількість нерозчинних речовин - механічних домішок, що утримуються у працюючій оливі, не випадаючи в осад, а також зменшується забруднення деталей двигуна різними відкладами (лаками, нагарами, шлаками). Для зменшення або запобігання утворенню відкладів в оливи вводять спеціальні поверхнево-активні речовини - мийно-диспергуючі присадки. Практично всі мийно-диспергуючі присадки мають певний запас лужності. Лужність моторної оливи є одним із важливих показників, які визначають можливість забезпечення тривалої роботи двигуна на високосірчаному паливі.
Крім того, олива повинна мати антикорозійні властивості, які пов'язані з хімічними процесами, і залежно від впливу самих мастильних матеріалів, що спричинюють хімічно-електрохімічну корозію металу або запобігають їй, захисні властивості, що характеризують здатність нафтопродуктів захищати металеві поверхні від корозії наявності електроліту. Відповідно розрізняють антикорозійні присадки, що зменшують корозійне спрацювання, передусім кольорових металів за високих температур, та маслорозчинні інгібітори корозії, які поліпшують захисні властивості масел.
Зниження корозійної агресивності мастильних матеріалів досягається підвищенням їх антиокиснювальних властивостей та введенням спеціальних протикорозійних присадок. Ці присадки запобігають безпосередньому впливу корозійно-агресивних речовин на метал. Крім того, ці плівки дезактивують метал як каталізатор окиснення. Оскільки електрохімічна корозія є наслідком електролітичних явищ, запобігання їй досягається тільки за допомогою захисних присадок (інгібіторів корозії), які формують на металевій поверхні міцні плівки, непроникні для води й кисню.
Піні - ні!
Основною причиною спінення оливи під час роботи є аерація - насичення оливи повітрям. Піноутворення спостерігається внаслідок інтенсивного перемішування оливи з розчиненим у ньому повітрям. Утворенню піни сприяють забруднювальні речовини, продукти окиснення, волога, що містяться в оливі. Внаслідок піноутворення погіршується тепловідведення і нормальне надходження оливи до тертьових поверхонь, відбувається викид оливи з оливосистеми.
У разі потрапляння води в оливу можуть утворюватися емульсії, які ускладнюють нормальну роботу оливних систем. При наявності таких емульсій зменшується в'язкість оливи, внаслідок чого порушується рідинне тертя. Крім того, погіршуються змащувальні властивості, збільшується електрохімічна корозія металевих поверхонь. Збільшення сумарного об'єму оливи при утворені емульсії спричинює його викид із систем мащення.
Для запобігання утворенню піни та стійких емульсій в оливи вводять відповідно протипінні та деемульгуючі присадки.
