Плотность, цвет и загрязнение масел

Плотность (density) - это масса вещества, заключенная в единице объема (кг×м³, г/см³)- Численное значение плотности выражается отношением массы какого-либо объема вещества к массе такого же объема воды, имеющей температуру 4°С (масса 1 л воды при 4°С равна 1 кг). Плотность жидкостей просто и достаточно точно измеряется ареометром (ГОСТ 3900-85). Обычно рядом со значением плотности указывается и температура изме­рения (температура может не указываться, если плотность определена при 20°С).

Иногда плотность масла, как и сырой нефти, выражается в градусах плотности API (API density grade). Соотношение градусов АР1° с относительной плотностью d (отношение плотностей масла и воды), измеряется при температуре 15,6°С и определяется по формуле:

API° = (141,5/d)- 131,5.

Соотношение API° и плотности:

Плотность необходима при перерасчете объема масла в массу и наоборот. При повышении температуры, плотность нефтепродуктов снижается и, тем сильнее, чем меньше плотность. Плотность не является определяющим показателем смазочных масел. Однако по плотности можно примерно судить об углеводородном составе масла, так как наименьшей плотностью отличаются парафины, а наибольшей - нафтеновые соединения. По плотности работающего масла определяют попадание в него топлива. Плотность может по мочь идентифицировать конкретное масло при сравнении нескольких сортов или марок.

Цвет (color) и прозрачность (transparency). Качество и товарный вид масла иногда оценивается по его цвету и прозрачности. В большинстве случаев, за исключением применения твердых противозадирных присадок (дисульфид молибдена и т.п.), прозрачность масла должна быть полной, без видимых механических включений. Цвет масла зависит от присутствия темных смолистых веществ и от свойств нефти, из которой изготовлено масло. Нет прямой зависимости между цветом масла и содержанием смолистых веществ, особенно если масло выработано из нефти разных месторождений. По цвету масла можно лишь приблизительно судить о качестве его очистки. Иногда цвет является показателем товарного вида масла, так как покупатель склонен оценивать качество масла по его цвету. Готовое товарное масло в большинстве случаев не окрашивается и бывает от светло-желтого до темно-коричневого цвета. Такой натуральный цвет масла определяется и выражается численно по стандартам ISO 2049, ASTM D 1500, ГОСТ 20284-74 и др. при сравнении цвета масла с набором цветных эталонов, которые нумеруются от 0,0 (белый) до 8,0 (очень темный коричневый) через 0,5 единицы (всего 16 номеров). Приблизительные значения цвета масла приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. - Номера цвета масла по стандарту ISO 2049

На практике, некоторые потребители пытаются по цвету работающего моторного масла определять необходимость его замены. Однако, потемнение масла в двигателе является естественным и показывает, что масло выполняет свои моющие и диспергирующие функции. Таким образом, потемнение масла не может быть принято за основу показателя снижения ресурса работоспособности и необходимости замены. При некотором опыте и при наличии градуировочной таблицы - этот метод оценки ресурса все же может быть применен.

Некоторые масла окрашиваются в яркие цвета. В красный цвет окрашиваются жидкости автоматической коробки передач (ATF), чтобы отличить их от других масел и облегчить обнаружение утечки. Масла для двухтактных двигателей окрашиваются в зеленый, синий или красный цвет для отличия топливномасляной смеси от чистого топлива.

По старой традиции бытует мнение, особенно в США, что масло очень высокого качества, выработанное из парафиновой нефти, должно иметь слабый флуоресцирующий зеленый оттенок. По этой причине некоторые производители специально вводят в масло флуоресцирующие красители. При необходимости, масла подкрашивают маслорастворимыми органическими красителями.

Механические загрязнения в масле (contamination) состоят из твердых частиц, которые вызывают износ деталей и участвуют в образовании отложений и шлама. Механические примеси удерживаются фильтром, однако, частицы размером менее 25-40 мкм накапливаются в масле и участвуют в процессе износа. Механические загрязнения в масле определяются, чаще всего, путем фильтрования бензинового раствора (ГОСТ 12275-66) или фотометрически (ГОСТ 24943-81). Для предварительной оценки удобно определение на просвете или на фильтровальной бумаге. Для этого масло нагревают до 50-60 °С и наносят две-три капли масла на фильтровальную бумагу, на которой хорошо видны загрязнения. Чистое масло дает равномерно окрашенное пятно. Капли можно наносить также и на чистое стекло.

Качественная точная оценка чистоты масла определяется микроскопическим подсчетом частиц по ISO 4407 и кодированием их числа по ISO 4406. Метод предназначен для определения загрязненности гидравлической жидкости. Код числа частиц загрязнений имеет вид соотношения х/у, где х - число частиц в 1 мл размером выше 5 мкм; у - число частиц в 1 мл размером выше 15 мкм, например 15/12. Частицы размером до 5 мкм составляют шлам, проходят через фильтр и не оказывают влияние на износ. Частицы выше 15 мкм уже участвуют в процессе изнашивания.

Вода в масле (water contaminant, moisture) является наиболее нежелательным загрязнением. Вода в масло попадает при загрязнении извне: с грязью, при конденсации в; картере атмосферной влаги, при конденсации пара из продуктов сгорания топлива. Вода может быть в масле в растворенном и в свободном виде. Растворенная в масле вода является незначительным фактором и существенного влияния на свойства не оказывает. Растворенная вода в немоторных маслах определяется путем ее взаимодействия с гидридом кальция (карбидом) (ГОСТ 7822-75). Свободная вода может образовать эмульсию и этим существенно изменить вязкость. Она также взаимодействует с присадками, например с дитиофосфатом цинка и нарушает баланс работоспособности масла. Именно поэтому содержание свободной воды строго регламентируется. Наличие свободной воды определяется несколькими способами: способом отстаивания в пробирке - вода оседает в нижнем слое (ISO 3733, ГОСТ 2477-65); нагреванием его в пробирке до 105-120°С (ГОСТ 1547-84) или диэлектрическим методом путем измерения диэлектрической проницаемости (ГОСТ 14203-69). При нагревании масла в пробирке, в случае наличия воды, образуется пена, масло потрескивает и пробирка вибрирует.

Температурные характеристики масел

Температурные характеристики показывают критические точки эксплуатации масла - высокотемпературные и низкотемпературные:

• высокотемпературные характеристики:

◊ температура вспышки,

◊ температура воспламенения,

• низкотемпературные характеристики:

◊ температура застывания,

◊ равновесная (стабильная) температура застывания,

◊ температура помутнения.

Предельные температуры работоспособности моторного и трансмиссионного масла в холодном состоянии определяются по изменению вязкости, на приборах, имитирующих реальные условия эксплуатации.

Температура вспышки (flash point) - это самая низкая температура, при которой пары нагреваемого нефтепродукта образуют с окружающим воздухом такую смесь, которая вспыхивает от открытого огня, но быстро гаснет из-за недостаточно интенсивного ис­парения. При дальнейшем нагревании достигается температура воспламенения (fire point), при достижении которой масло горит не менее 5 с (ГОСТ 4333-48).

Температура вспышки масла почти всегда указывается в списке типовых характеристик. Она связана с фракционным составом масла и структурой молекул базовых компонентов и является важной по нескольким причинам. Во-первых, это показатель пожароопасности масла, поэтому предпочтительнее более высокое значение_температуры вспышки. Во-вторых, она показывает присутствие летучих фракций в масле, которые быстрее испаряются в работающем двигателе (расход масла на угар). В-третьих, при анализе работающего масла, по понижению температуры вспышки легко определяется разбавление масла топливом. О сочетании со снижением вязкости масла, понижение температуры вспышки служит сигналом для поиска неисправностей системы зажигания или системы подачи топлива.

Температура вспышки масла определяется двумя методами - в открытом и в закрытом тигле. Метод открытого тигля (openflash) называется методом Кливленда СОС '(Cleveland Open Cup - СОС) (ISO 2592, ASTM D 92, ГОСТ 4333-48), метод закрытого тигля (closed сир) - методом Пенски-Мартенса PMC (Pensky-Martens Cup) (ISO 2719, ASTM D 93, ГОСТ 6356-75). Обычно численные значения, найденные этими двумя методами, различаются примерно на 20°С. Для масел чаще всего применяется метод открытого тигля по Кливленду (СОС), а для топлива - закрытого тигля по Пенски-Мартенсу. На практике температуру вспышки масла иногда определяют и по методу закрытого тигля.

Температура застывания (pourpoint) или температура потери текучести - это самая низкая температура, при которой масло еще обладает способностью течь. По зарубежным стандартам температурой застывания называется температура, которая на 3 °С выше действительной температуры затвердевания (solidification temperature),при которой в течение 5 с масло находится в неподвижном состоянии (рис. 2.1) (стандарты ISO 3016, ASTM D97, ГОСТ 20287-74).)

Рис. 2.1. Схема определения температуры застывания

Температура застывания указывает только на возможность переливания масла (например, из тары), не прибегая к предварительному подогреву. Однозначной взаимосвязи температуры застывания масла с его пусковыми свойствами на холоде не существует. Температура застывания обязательно должна быть ниже той температуры, при которой определяют прокачиваемость согласно классификации SАE J 300.

Минеральное масло - это многокомпонентная система, застывание которой является сложным и многостадийным процессом, зависящим от взаимодействия отдельных компонентов, их взаимного растворения и др. В минеральном масле при понижении температуры и первую очередь зарождаются и растут кристаллы парафина. С появлением мелких кристаллов масло мутнеет и эта температура называется температурой помутнения (cloudpoint). В дальнейшем кристаллы парафина растут, соединяются, слипаются и в конечном итоге образуют кристаллический каркас, масло становится неподвижным, желеобразным. Таким образом, температура застывания фактически является температурой желеобразования. Между кристаллическим каркасом масло еще остается жидким и при встряхивании или перемешивании текучесть всей массы масла может частично восстановиться. Такой процесс затвердевания, как специфический процесс кристаллизации, зави­сит от скорости охлаждения и от термической и механической предыстории масла (низкотемпературного режима, интенсивности и продолжительности принудительного течения, в интервале времени до измерения температуры застывания). Поэтому при определении этой температуры требуется строгое соблюдение предписанной процедуры охлаждения и выдержки жидкости.

Военное ведомство США, для масел военного транспорта, потребовало определения так называемой равновесной (стабильной) температуры застывания (stablepour point), при определении которой проводится многочасовая (пятидневная) низкотемпературная обработка масла по заданной программе между 0 °С и -40 °С. Методика призвана исключить влияние предыстории масла на текучесть при низкой температуре (FTM Standard No.791C, Method 203.1; SÄE J300 APR95, Appendix В). Эта процедура становится основной при разработке новых масел и для точной характеристики базовых, моторных и других масел. Недооценка важности этой процедуры со стороны производителей масел не раз приводила к серьезным рекламациям на конечном рынке и выходу из строя агрегатов.

Низкая температура застывания важна для зимних и всесезонных масел. При запуске холодного двигателя или в начале движения с непрогретым двигателем, моторное масло в первый же момент своей работы должно поступать в самые узкие и отдаленные места трения. Поэтому температура застывания должна быть ниже минимальной предполагаемой температуры окружающей среды.

Температура застывания часто служит показателем предельной минимальной температуры заливки, переливки и, частично, эксплуатации масла. Поэтому она включается в список типовых характеристик масел и гидравлических жидкостей для автотранспорта. Минимальная температура эксплуатации моторных масел, согласно спецификации SÄE J300 APR97, определяется по низкотемпературным характеристикам вязкости и прокачиваемости.

Химические свойства и характеристики

Щелочность и кислотность масел (alkalinity, acidity]. Очищенное минеральное масло, как правило, является_химически нейтральным. Для нейтрализации кислот, образующихся во время работы при сгорании сернистого дизельного топлива или окисления углеводородных молекул масла, в моторные и трансмиссионные масла добавляют щелочные присадки. Обычно эту задачу выполняют моющие и диспергирующие присадки - детергенты (поверхностно-активные вещества). Чем больше щелочность масла, тем больше его рабочий ресурс. Поэтому для моторных и трансмиссионных масел в качестве эксплуатационного показателя указывается общее щелочное число TBN. В некоторые индустриальные масла (охлаждающие смазочные жидкости и др.) добавляют активные сернистые присадки, которые имеют слабую кислотную реакцию. В связи с этим, в качестве показателя химических свойств, указывается общее кислотное число TAN. Этот показатель иногда определяется и при анализе работающего или отработанного масла как показатель степени окисления масла и накопления кислых продуктов сгорания топлива.

Щелочность и кислотность масел выражаются через количество (в мг) гидроокиси калия (КОН), эквивалентное содержанию всех видов щелочей в 1 г масла или необходимое для нейтрализации всех кислот в 1 г масла- и для щелочности, и для кислотности дименсия та же самая (мг КОН/1 г масла).

Для определения кислотности проводится титрование гидроокисью калия (КОН), а для определения щелочности - соляной кислотой (НС1). В настоящее время, для этих целей чаще используют метод потенциометрического титрования .

В документах, сопровождающих товарные продукты смазочных материалов, щелочность и кислотность выражаются через:

• общее щелочное число (TBN),

• число нейтрализации,

• общее кислотное число (ТАМ),

• число сильных кислот (SAN).

Общее щелочное число, TBN (total base number) показывает общую щелочность включая вносимую моющими и диспергирующими присадками, которые обладают щелочными свойствами. Общее щелочное число выражается через количество гидроокис и калия (КОН) в мг, эквивалентное количеству всех щелочных компонентов, находящися в 1 г масла (мг КОН/г).

Моторное масло должно обладать определенной щелочностью для сохранения моющих свойств, способности и нейтрализации кислот и подавления процессов коррозии. Чем больше щелочное число, тем большее количество кислот, образующихся при окислении масла и сгорании топлива, может быть переведено в нейтральные соединения. В противном случае эти китслоты вызывают коррозионный износ деталей двигателя и усиливают процесс образования отложений. При работе масла в двигателе щелочное число неизбежно снижается, нейтрализующие присадки срабатываются. Такое снижение имеет допустимые пределы, по достижении которых масло считается утратившим работоспособность. Считают, что при уменьшении щелочности масла примерно на 50 % от начальной величины, масло следует заменить.

TBN масла определяется потенциометрическим титрованием соляной кислотой по стандартам ASTM D 664, ГОСТ 11362-96, ISO 6619-88 или более новыми методами - потенциометрическим титрованием перхлоровой кислотой по стандартам DIN ISO 3771, ASTM D 2896-98 (по этим методам значение TBN получается примерно на 2-3 единицы выше, чем по ASTM D 664). Для анализа работающих масел, в которых нейтрализация протекает медленно, предпочтение отдается методу ASTM D 4739.

Число нейтрализации (neutralization number, neut number) показывает щелочность или кислотность масла и выражается через количество соляной кислоты (НС1) или гидроокиси калия (КОН) в мг, необходимое для нейтрализации оснований или кислот, находя­щихся в 1 г масла. Число нейтрализации определяется потенциометрическим титровани­ем (по ASTM D 664) или колориметрическим титрованием (ISO 6619, ISO 7537, DIN 51 558, ASTM D 974, ГОСТ 11362-96).

Общее кислотное число TAN (total acid number). Как моторное, так и трансмиссионное масло может содержать и кислотные, и щелочные компоненты, содержание которых может быть определено раздельно. Кислотные компоненты нового масла имеют слабую кислотность, которая не оказывает заметного влияния нa коррозию металлов и называется общим кислотным числом масла (TAN). TAN масла выражается через количество , гидроокиси калия (КОН) в мг, необходимое для нейтрализации слабых кислот, находя­щихся в 1 г масла и определяется по стандартным методикам ASTM D 664 и ГОСТ 11362-96. При анализе работающих жидкостей автоматической коробки передач (ATF), а также трансмиссионных и моторных масел, иногда определяется TAN, как один из показателей, характеризующих образование кислот при окислении масел.

Число сильных кислот SAN (strong acid number). В, автомобильных маслахм сильные кислоты должны отсутствовать, но они могут образовываться при продолжительной работе моторного масла. Появление в масле сильных кислот означает необходимость замены масла, так как такие кислоты вызывают интенсивный коррозионный износ и образование шлама. SAN, как и TAN, выражается через количество КОН, необходимое для ней­трализации соответствующих (сильных) кислот.

Содержание серы (sulfur content) - это показатель для оценки сернистости масла.. Соединения серы попадают в масло из нефти или с серосодержащими присадками. По. содержанию серы в масле без присадок делаются выводы об антикоррозионных свойствах 1 базового масла. При наличии серосодержащих присадрк,^оде£жание^ерьі.указывает на' их наличие.

Коксуемость, склонность к коксованию (cokeability. coking tendency, carbonization). При достаточно высокой температуре масло разлагается и образуются твер­дые углеродистые продукты. Термостойкость масла определяется его склонностью к кок­сованию. Коксование (coking ) - это образование твердого кокса при нагревании масла без доступа кислорода. Коксуемость (cokeability) - склонность масла при нагревании образовывать остаток (после испарения всех летучих фракций) с последующим термическим разложением остатка масла в отсутствии воздуха. Это показатель для чистого масла, так как присадки могут оказывать значительное влияние на коксуемость. Поэтому коксуемость определяется только для базовых масел. Основные методы Конрадсона (Conradson) (DIN 51 551, ГОСТ 19932-74), который больше применяется в Европе и Рамсботтома (Ramsbottom) (ISO 4262) - в Америке. Коксуемость также можно определить по стандартам ГОСТ 8852-74, DIN 51 551.

Зольность (ash content) - это количество золы, образующееся при сгорании масла. Чистое свежее масло без присадок должно сгорать без остатка. Образование золы из масла без присадок является показателем его засоренности. Присадки в товарном масле значительно увеличивают зольность. Зольность определяется путем сжигания установленного количества масла в открытом тигле с последующим прокаливанием остатка и выражается в процентах от начальной массы масла (ISO 6245, EN 7, DIN EN 7, ASTM D 482, ГОСТ 1461-75).

Сульфатная зольность (sulfated ash) - это показатель содержания присадок, в основном органических соединений металлов. Золу составляют продукты окисления органических соединений металлов - окиси (например BaO, CaO, MgO) и сульфаты металлов (например BaSO₄, CaSO₄, MgS0₄). Для сравнения зольности разных масел, все окиси металлов переводятся в сульфаты. Масло нагревается до образования твердого углеродистого остатка, который обрабатывается серной кислотой для превращения окисей металлов в сульфаты. Затем сульфаты прокаливаются при температуре 775°С до образования сульфатной золы. Сульфатная зольность для автомобильных масел определяется по стандартам ASTM D 874, ГОСТ 12417-73 или DIN 51 575 и выражается в процентах от начальной массы масла.

Сульфатная зольность является прямым показателем количества присадок в масле, поэтому присутствие присадок проверяется именно по сульфатной зольности. Довольно высокая сульфатная зольность моторных масел (по сравнению с другими маслами) в ос­новном обусловлена наличием в их составе моющих присадок, содержащих металлы. Эти присадки необходимы для предотвращения отложений на поршнях и придания маслам способности нейтрализовывать кислоты. Излишне зольное масло может приводить к преждевременному воспламенению рабочей смеси из-за образования отложений в камере сгорания, неблагоприятно влиять на работоспособность свечей зажигания, способствовать повышенному износу деталей вследствие абразивного воздействия на поверхности трения.

Сульфатная зольность ограничивается нормативной документацией на производство моторных масел только в Европе (классификация АСЕА). В моторных_мдсдах для бензиновых двигателей сульфатная зольность не должна превышать 1,5%, для дизельных двигателей малой мощности -1,8 % и для дизельных двигателей высокой мощности-2,0 %.

Химический состав масла (chemical constitution of oil). Качество масла в значительной степени, зависит от его группового химического состава, т.е. от соотношения парафинов, ароматических соединений и нафтенов. При оценке качества масла и присвоении категории качества, химический состав масла не определяется, так как многие свойства масла существенно улучшаются введением соответствующих присадок. Иногда, в описаниях масла производители указывают основной класс соединений, так как они характеризуют некоторые общие эксплуатационные свойства. Например, парафиновые масла отличаются высоким индексом вязкости, хорошей стойкостью к окислению, а нафтеновые масла - высокой липкостью, хорошими смазывающими свойствами и т.д.

При разработке новых сортов масел, соотношение соединений нефти и другие химические показатели определяются при помощи инфракрасной (ИК) спектроскопии, хроматографии и других методов анализа.

Химические методы анализа более широко применяются при анализе работающего масла для идентификации и определения количества продуктов окисления и загрязнения. Например, по результатам определения количества металлов делаются выводы о процессах износа деталей двигателя, по содержанию карбонильных групп (ИК спектроскопия) -о степени окисления масла и ресурсе работы.

Летучесть, испаряемость, потери от испарения (volatility, oil loss by evaporation). Во время работы двигателя, вследствие высокой температуры, наиболее легкие фракции масла улетучиваются. Склонность масла к испарению, согласно требованиям ЛСЕА, оценивается методом Нок (Noack volatility test, CEC-L-40-A-93, DIN 51 581). По этому методу испарение определяется при температуре масла 250°С в течении 1 часа. В Америке для определения испарения масел бензиновых двигателей используют метод Нок или аналогичный метод воздушной струи (airjet test, ASTM D 972), а также метод ваку­умной дистилляции (ASTM D 1160) или хроматографии при температуре 371 °С (ASTM П 2887). Для масел дизельных двигателей (в Америке) обычно определяют общие потери масла в моторных испытаниях (IK. IN, T8) в г/кВт ч. Согласно ГОСТ 10306-75 потери от испарения определяются пропусканием воздуха через нагретое масло. Испаряемость в чашечке определяется по ГОСТ 20354-74.

Вязкостные свойства

Кинематическая и динамическая вязкости масел

Вязкость (viscosity). Вязкость - это внутреннее трение или сопротивление течению жидкости. Вязкость масла, во-первых, является показателем его смазывающих свойств, так как от вязкости масла зависит качество смазывания, распределение масла на поверхно­стях трения и, тем самым, износ деталей. Во-вторых, от вязкости зависят потери энергии при работе двигателя и других агрегатов. Вязкость - основная характеристика масла, по величине которой частично делается выбор масла для применения в конкретном случае.

Вязкость масла зависит от химического состава и структуры соединений, составля­ющих масло и является характеристикой масла как вещества. Кроме этого, вязкость масла также зависит и от внешних факторов - температуры, давления (нагрузки) и скорости сдвига, поэтому рядом с числовым значением вязкости всегда должны указываться условия определения вязкости.

Условия работы двигателя определяют два основных фактора, влияющих на опре­деление вязкости - температура и скорость сдвига.

Вязкость масел определяется при температурах и скоростях сдвига, близких к реальным при эксплуатации. Если масло должно работать при низкой температуре(даже в течении короткого времени), то при этой же температуре должны быть определены и его вязкостные свойства. Например, на все автомобильные масла, предназначенные для применения зимой, должны приводиться низкотемпературные характеристики.

Вязкость масла определяется при помощи двух основных типов вискозиметров (viscometers):

• вискозиметры истечения (рис. 2.2), в которых измеряется кинематическая вязкость - по скорости свободного течения (времени вытекания). Для этой цели применяется капиллярный вискозиметр (capillary viscometer) (рис. 2.2,а) или сосуды с калиброванным отверстием на дне - вискозиметры Энглера (Engler) (рис. 2.2,6), Сейболта (Sayboll), Редвуда (Redwood), B3-4 (ГОСТ 26378.3-84); в настоящее время для стандартных определений применяется стеклянный капиллярный вискозиметр; он отличается простотой и точностью определения; скорость сдвига в таком вискозиметре незначительна;

• ротационные вискозиметры (rotational viscometers), в которых определяется динамическая вязкость по крутящему моменту с установленной скоростью ротора или по скорости вращения ротора при заданном крутящем моменте.

Рис. 2.2. Вискозиметры истечения: а - капиллярный стеклянный вискозиметр; б - вискозиметр Энглера; в - схема истечения масла

Вязкость характеризуется двумя показателями - кинематической (kinematic viscosity) и динамической вязкостью (dynamic viscosity). Единицы измерения динами­ческой вязкости; h - пуаз (Р -poise) или сантипуаз сР (сР = mPa·s). Динамическая вяз­кость обычно определяется ротационным вискозиметром. Кинематическая вязкость, n -отношение динамической вязкости к плотности (h/r). Единицы измерения кинематической вязкости - стоке (St - stoke) или сантистокс (cSt - centistoke, l cSt = 1 мм²/с). Численные значения кинематической и динамической вязкости несколько различаются, в за­висимости от плотности масел. Для парафиновых масел кинематическая вязкость при температуре 20 - 100°С превышает динамическую примерно на 15 - 23 %, а для нафтеновых масел эта разница составляет 8 - 15 %.

Кинематическая вязкость характеризует текучесть масел при нормальной и высокой температурах. Методы определения этой вязкости относительно просты и точны. Стандартным прибором в настоящее время считается стеклянный капиллярный вискозиметр, в котором измеряется время истечения масла при фиксированной температуре. Стандартными температурами являются 40 и 100 °С.

Относительная вязкость определяется на вискозиметрах Сейболта, Редвуда и Энглера. Это сосуды с калиброванным отверстием на дне, через которое вытекает том но уста­новленное количество масла. При измерении времени вытекания заданная температура масла в вискозиметре должна поддерживаться с необходимой точностью. Универсальная вязкость Сейболта, определяемая по стандарту ASTM D 88, выражается в универсальных секундах Сейболта SUS (Saybolt Universal Seconds). Этот упрощенный метод определе­ния кинематической вязкости более широко применяется в США. В Европе чаще пользу­ются секундами Редвуда (Редвуда единицы - Redwood units) и градусами Энглера (Е°, Engler units). Градус Энглера - это число, показывающее во сколько раз вязкость масла превышает вязкость воды при 20 °С, поэтому вискозиметром Энглера необходимо изме­рить время вытекания воды при 20°С.

Динамическая вязкость обычно определяется ротационными вискозиметрами. Вискозиметры разной конструкции имитируют реальные условия работы масла. Обычно выделяются крайние значения температуры и скорости сдвига. Основные методы определения вязкости моторных масел предусмотрены спецификацией SÄE J300 APR97. Эта спецификация устанавливает значения степеней вязкости SAE для моторных масел и определяет порядок измерения необходимых параметров вязкости. Стандартные методы опреде-ления динамической вязкости можно разделить на две группы - низкотемпературная вязкость и высокотемпературная вязкость, определяемые в условиях близких к реальным условиям эксплуатации двигателя.

Характеристики низкотемпературной вязкости (low temperature viscosity):

• максимальная низкотемпературная вязкость, обеспечивающая запуск холодного двигателя (maximum low-temperature cranking viscosity), определяется при помощи имитатора запуска холодного двигателя CCS (Cold Cranking Simulator) (ASTM D 5293) (рис. 2.3, а);

• максимальная низкотемпературная вязкость, обеспечивающая прокачивание масла в двигателе (maximum low-temperature pumping), определяется при помощи мини-ротационного вискозиметра MRV (Mini-Rotary Viscometer) по методике ASTM D 4684 (рис. 2.3, в);

• в качестве дополнительной информации о низкотемпературной вязкости, могут быть определены граничная (предельная) температура прокачивания по ASTM D 3829 (borderline pumping temperature) и вязкость при низкой температуре и низкой скорости сдвига (low temperature, low shear rate viscosity), так называемая тенденция к желеобразованию или индекс мелирования (gelation index). Определяется на сканирующем вискозиметре Брукфильда по методике ASTM D 5133 (Scanning Brookfield method)',

• фильтруемость (filterability) моторных масел при низкой температуре показывает тенденцию образования твердых парафинов или других неоднородностей, приводящих к закупориванию масляного фильтра. Некоторое влияние на фильтруемость может оказать наличие воды в холодном масле. Фильтруемость моторных масел определяется по стандарту "General Motors" GM 9099Р "Тест на определение фильтруемости моторного масла" (Engine Oil Filterability Test - EOFT) и оценивается как снижение потока в %.

Характеристики высокотемпературной вязкости (high-temperature viscosity): кинематическая вязкость, определяемая на стеклянном капиллярном вискозиметре при 100°С и низкой скорости сдвига (ASTM D 445);

вязкость при высокой температуре и высокой скорости сдвига HTHS (high temperature high shear viscosity), определяемая при 150°С и скорости сдвига 10⁶ с^-1. -

Рис. 2.3. Ротационные вискозиметры: - имитатор запуска холодного двигателя (CCS); 6 - имитатор конического подшипника (TBS); в - мини-ротационный вискозиметр (MRV); г- вискозиметр Брукфильда

Определяется: в Америке - с помощью имитатора конического подшипника TBS (Tapered Bearing Simulator) (рис. 2.36) по методике ASTM D 4683, а в Европе -на вискозиметре Раеепфильда или конической пробке ТВР, аналогичной конструкции (Ravenfield Viscometer, Tapered-Plug l'lscometer), по методикам СЕС L-36-A-90 или ASTM D 4741;

• стабильность к сдвигу (shear stability) - это способность масла сохранять стабильную вязкость при продолжительном воздействии высокой деформации сдвига. Определяется: в Европе с помощью насос-форсунки Бош (Bosch injector), через которую 30 раз пропускается нагретое до 100°С масло и измеряется снижение вязкости (СЕС L-14-A-88), в Америке - также (ASTM D 6278) или в стендовом бензиновом двигателе CRC L-38 после 10 часовой работы (ASTM D 5119).

Рассмотрим некоторые особенности методов определения вязкости.

Вискозиметр Брукфильда (рис. 2.3,г)-это прибор для определения низкотемпературной вязкости при низкой скорости сдвига. Он снабжен комплектом роторов разной величины и формы. Скорость можно менять ступенчато в широких пределах. Во время измерения скорость поддерживается постоянной. Крутящий момент является мерой кажущейся вязкости. Расстояние между статором и ротором сравнительно большое, поэтому счита­ется, что скорость сдвига низка к стенки сосуда вискозиметра не влияют на величину вяз­кости, которая в этом случае рассчитывается по силе внутреннего трения масла и называется вязкостью по Брукфильду (Brookfield viscosity) (в Па-с), или кажущейся вязкостью (apparent viscosity). Этим методом определяется кажущаяся вязкость автомобильных трансмиссионных масел при низкой температуре (по стандартам ASTM D 2983, SAE J 306, DIN 51398).

Низкотемпературная вязкость запуска двигателя (low-temperature cranking viscosity) является показателем способности масла течь и смазывать узлы трения в холодном двигателе. Она определяется при помощи имитатора запуска холодного двигате­ля CCS (Cold Cranking Simulator) (DIN 51 377, ASTM D 2602) (рис. 2.3а). Имитатор CCS является ротационным вискозиметром с малым расстоянием между профилированным (не цилиндрическим) ротором и прилегающим к нему статором. Таким образом имитируются зазоры в подшипниках двигателя. Специальным двигателем поддерживается постоянный крутящий момент при заданных температурах, а скорость вращения является мерой вязко­сти. Вискозиметр калибруется с применением эталонного масла. Применяется для опреде­ления вязкости запуска (cranking viscosity) в сантипуазах (сП) при разных заданных тем­пературах, соответственно с предполагаемой степенью вязкости SAE для моторного масла (-5° для SAE 25W; -10° для SAE 20W; -15° для SAE 15W; -20° для SAE 10W; -25° для SAE 5W и -30°С для SAE OW).

• Вязкость прокачивания (pumping viscosity) является мерой способности масла течь и создавать необходимое давление в системе смазки в начальной стадии работы холодного двигателя. Вязкость прокачивания измеряется в сантипуазах (сП = мПа -с) и определяется согласно ASTM D 4684 на мини-ротационном вискозиметре MRV. Этот показатель важен для масел, способных желировать при медленном охлаждении. Таким свойством чаще всего обладают всесезонные минеральные моторные масла (SAE 5W-30, SAE 10W-30 и SAE 10W-40). При испытании определяется либо напряжение сдвига, необходимое для разру­шения желе, либо вязкость при отсутствии напряжения сдвига. Вязкость прокачивания определяется при разных заданных температурах (от -15° для SAE 25 W до -40°С для SAE OW). Прокачивание обеспечивается только для масел с вязкостью не более 60 000 mPa-s. Наименьшая температура, при которой масло может прокачиваться, называется нижней температурой прокачивания, ее значение близко к наименьшей температуре эксплуатации.

Температурная зависимость вязкости при низкой температуре и низком напряжении сдвига (low temperature, low shear rale, viscosity/temperature dependence) Ч-.ІС.ІЯСТСЯ по методике ASTM D 5133 при помощи сканирующего вискозиметра - Брукфильда (Scanning Brookfield method). Этот показатель необходим для оценки способом масла поступать в систему смазки и к узлам трения в холодном двигателе после его длительного пребывания при низкой температуре. Перед измерением масло должно пройти определенный цикл охлаждения, как и при определении равновесной температуры испытания (stable pour point). Такое испытание занимает много времени и применяется в основном при разработке новых рецептур масел.

Оценка фильтруемости масел по методу GM P9099 введена в новые категории API SJ и ILSAC GF-1, GF-2 для масел SÄE 5W-30 и SÄE 10W-30. Этот метод разработан -мой "General Motors" и применяется ею с 1980 г. Он имитирует закупоривание масляного фильтра осадком, образующимся в присутствии воды и конденсата прорывающихся в картер газов при краткосрочной работе после длительной стоянки. Оценку проводят по отдельному снижению скорости потока через фильтр при последовательном испытании :ш ІІ смеси масла с водой. Смесь приготавливают медленным перемешиванием в течение 10 с в закрытой мешалке 49,7 г масла, 0,3 г деионизированной воды и приблизительно 10 г сухого льда. После перемешивания смесь в открытом сосуде выдерживают в печи при температуре 70°С в течение 30 мин. Затем ее охлаждают до 20 - 24 °С и выдерживают при этой температуре 48-50 ч. Снижение скорости потока не должно быть более чем на 50 %.

Стабильность к сдвигу это способность масла сохранять постоянную величину .місти под воздействием высокой деформации сдвига при эксплуатации. При быстром скольжении поверхностей трения достигается высокая скорость течения масла в узких ноpax и проявляется высокая деформация сдвига, которая вызывает деструкцию молекул - полимеров (загустителей) входящих в состав масла. Устойчивость к деформации сдви-•іішяется важным показателем для масел, применяемых в современных высокоскоростных, высоконагруженных, мощных и малогабаритных двигателях. Способность масла сохранять стабильную вязкость определяется временем, в течение которого вязкость изменяется до определенной величины. Иногда пользуются показателем индекса стабильности к сдвигу SSI (shear stability index). Он определяется соотношением Потери вязкости и jicK-та загущения полимерным загустителем, выраженное в % (рй£'2:4).'5$1 определя-; я разными методами: в Европе используют дизельную насос-форсунку конструкции in (Bosch injector) (CEC L-14-A-88). В Америке этот показатель^:определяется двумя методами - как в Европе (АSТМ D 6278) или в стендовом бензиновом двигателе CRC L-38 после 10-часовой работы (ASTM D 5119).

При сравнительно небольшой деформации сдвига, полимеоные молекулы только вкручиваются, а после снятия напряжения, со временем, могут восстановить свою конфигурацию и вязкость (рис. 2.5). Такое снижение вязкости называется временным (етроrary viscosity loss - ТУ L) и иногда наблюдается при определении HTHS вязкости на n анионном вискозиметре - имитаторе конического подшипника.

Зависимость вязкости от давления. При повышении давления} уменЪййется объем, плпвается взаимное притяжение молекул и увеличивается сопротявлению течению, т.е. вязкость масла увеличивается. При повышении температуры имеет место противоположный процесс и вязкость масла уменьшается.

При низкой температуре и высоком давлении вязкость масла в зацеплении шестерни может увеличиться настолько, что масло станет твердой пластичной массой. Это явление оказывает определенное положительное действие, так как масло в пластичном состоянии не вытекает из зазора сопряженных поверхностей и уменьшает влияние ударных нагрузок на детали.

Рис. 2.4. Потери вязкости масла при работе в условиях большой деформации сдвига

Рис. 2.5. Временное снижение вязкости

Международные классификации масел по вязкости

Ряды степеней вязкости масла. Вязкость является основным показателем качества масла. Для конкретного назначения требуется масло определенной вязкости. Для облегчения выбора масла необходимой вязкости, составлены так называемые ряды вязкости, в которых через установленный шаг изложены фиксированные значения вязкости масла. Эти фиксированные значения вязкости масла называются степенями вязкости (viscosity grades).

Основные ряды вязкости масел обобщены в системы:

• Международной Организации по Стандартам - степени вязкости ISO (ISO Viscosity Grades - ISO V.G.) - для всех масел индустриального назначения;

• Общества инженеров автомобилестроителей США - степени вязкости SA E (SÄE Viscosity Grades - SÄE V.G) - отдельные ряды для моторных и трансмиссионных масел.

В этой книге значения вязкости приводятся в степенях вязкости (VG) и обозначают-м с указанием аббревиатуры системы, например, ISO VG, SÄE VG и т.д.

ISO VG определяются при помощи капиллярного вискозиметра при температуре Ю°С. Ряд степеней вязкости ISO составлен из средних значений кинематической вязкости согласно стандарту ISO 3448:1992 и обозначается, как показано в табл. 2.2.

Таблица 2.2 - Степени вязкости ISO и средние значения кинематической вязкости, сСт при 40 °С

Вязкость моторных и трансмиссионных масел выражается в условных степенях вязкости по SAE, которые определяются на основе кинематической вязкости, определенной при заданной температуре (100 °С) и на основе показателей, низко- и высокотемпературных свойств.

Ряд степеней вязкости базовых масел называется номенклатурой базовых масел (common base oil nomenclature).