Воздействие температуры на моторное масло

Воздействие температуры на моторное масло это важный фактор, принимаемый во внимание, когда работает большой парк транспортных средств. За исключением электрических, все транспортные средства оборудованы двигателями внутреннего сгорания, питаемыми газом, бензином или дизельным топливом.

Все двигатели требуют смазки, и эта функция обеспечивается маслом.  Это масло должно выполнять многочисленные и разные задачи во время работы двигателя, основная функция – смазывать все детали, снижая трение и предотвращая или снижая контакт металла по металлу. Масло предотвращает соприкосновение поверхностей двух деталей друг с другом, как показано на рис. 1 и рис. 2

Рис. 1: Работа без смазки.

Рис. 2: Работа со смазкой.

В попытке достичь снижения трения, на сколько это возможно при нормальной рабочей температуре, масла разрабатывают из специальных базовых масел и присадок для выполнения специфической работы в двигателе. Эти масла разрабатывают для оптимальной работы при нормальном рабочем диапазоне температур двигателя. Важное наблюдение: рабочая температура моторного масла на 10°C - 15°C выше температуры охлаждающей жидкости. Надо помнить, рабочая температура моторного масла в картере не должна превышать 105°C при нормальных условиях.

ВЯЗКОСТЬ

Когда масло нагревается, его вязкость падает. Рецептура масла такова, что оно должно прокачиваться по масляной системе, так быстро, как это возможно, когда холодно, при запуске, должно смазывать все детали за несколько секунд пуска двигателя. Это же масло должно осуществлять смазку всех компонентов при нормальных рабочих температурах. Различные условия окружающей среды будут предъявлять различные требования к маслу, но оно должно оставаться достаточно жидким (низкая вязкость) когда холодно, и течь по системе, и достаточно густым (высокая вязкость) когда жарко, чтобы продолжать разделять движущиеся детали.

Эти характеристики позволяют моторным маслам быть достаточно вязкими при нормальных рабочих температурах.  Минута и температура выходит за рамки запланированных параметров и эффективность смазывания уже под угрозой. Например, если используется масло со слишком высокой начальной вязкостью при запуске, то на холоде потребуется относительно долгое время, чтобы  маслу достичь всех деталей. Если используется масло с очень низкой вязкостью, то это приведет к тому, что все детали двигателя будут работать старте «легко», но плёнка масла будет уже слишком тонка для необходимого смазывания деталей при рабочей температуре. Всесезонные масла содержат базовое масло и присадки, которые позволяют им работать именно так как надо – пленка масла не слишком  толстая на старте и не слишком тонкая при рабочей температуре. Вот почему правильный выбор масла для двигателя, с учётом окружающей среды, важен для работы двигателя и срока его службы. Этот выбор всегда должен быть сделан с учетом требований производителей оборудования.

Как ранее упоминалось, вязкость масла будет падать с ростом температуры. Стандартное всесезонное моторное масло 15W40, чаще всего используемое в Южной Африке, имеет начальную вязкость при 40°C примерно 110 мм²/с  (сантистокс) и рабочую вязкость при 100°C примерно 14,5 мм²/с (см. рис. 3).

Рис. 3.

Обычный двигатель с водяным охлаждением должен работать с температурой системы охлаждения между 80°C и 90°C. Принимая это во внимание, рабочая температура масла должна быть на 10°C - 15°C выше температуры охладителя, поэтому рабочая температура масла должна быть между 90°C и 105°C, но не достигать 105°C.

Другое важное правило, которое может быть применимо к рабочей вязкости моторного масла: если рабочая вязкость масла падает ниже 10 мм²/c, то масляная плёнка слишком тонкая для того чтобы качественно смазывать все детали двигателя (см. рис. 4).

Рис. 4.

В двигателе есть два главных режима смазывания, это гидродинамическое смазывание (смазка коленчатого вала под давлением) и граничное смазывание (смазывание вокруг поршней без давления). В обоих случаях толщина масляной плёнки важна, но в первую очередь она важна для гидродинамического трения.

Принимая во внимание тот факт, что в результате нагрева двигателя, его детали расширяются, двигатель сконструирован таким образом, что при оптимальной рабочей температуре, детали расширяются до «нужных» размеров. Если оптимальная температура не достигается, то расширение будет или чрезмерным или недостаточным и может послужить причиной снижения эффективности работы двигателя.

ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ СМАЗЫВАНИЕ

Гидродинамическое смазывание происходит следующим образом: масло качается масляным насосом через теплообменник и затем через фильтрационную систему к коленчатому валу под давлением. При рабочей температуре этот процесс происходит почти сразу (см. рис. 5).

Рис. 5: Снабжение маслом от масляного насоса.

Когда начинается вращение, давление масла, которое создается между подшипниками скольжения (вкладышами) и шейками коленчатого вала, создает масляный клин (см. рис. 6).

Рис. 6.

При холодном запуске происходит такая же ситуация за исключением того, что масло более густое из-за холода и поэтому не может эффективно проходить через фильтрующую среду. Это значит, что срабатывает байпассный (обходной) клапан, позволяющий маслу попасть в систему частично или полностью не фильтрованным – в обход фильтра.  Фильтр разработан так, чтобы позволять этому происходить. Этот байпассный клапан также работает как предохраняющий механизм на случай, если фильтр заблокирует доступ масла к деталям двигателя. Когда рабочая температура масла и двигателя растет, вязкость масла падает - байпассный клапан закрывается, позволяя маслу двигаться через фильтрующую среду.

ГРАНИЧНОЕ СМАЗЫВАНИЕ

Граничное смазывание происходит у всех деталей  двигателя, которые смазываются не под давлением. Детали попадающие в эту категорию: поршни, поршневые кольца, кулачки распредвала, толкатели, рокеры (коромысла), клапаны, цепь ГРМ и проч. (см. рис. 7).

Рис. 7.

Для эффективной работы при граничном смазывании происходит постоянное возобновление смазки, также моторные масла содержат в себе противоизносные присадки, понижающие трение и износ даже когда полная гидродинамическая пленка масла отсутствует. Постоянное возобновление смазки достигается  распылением через форсунки или разбрызгиванием.  Все двигатели нового поколения оснащены поршневыми охлаждающими форсунками, чтобы обеспечить должное охлаждение поршня и смазку юбки поршня. Это масло покрывает детали во время движения с целью снизить трение, и в это же время, смазка постоянно уносится от деталей, но постоянно возобновляется свежей порцией масла, разбрызгиванием  или распылением в рабочую зону (см. Рис. 7.1 и 7.2).

Рис. 7.1: Масло распыляется в поршень посредством форсунки.

Рис. 7.2.

НИЗКАЯ РАБОЧАЯ ТЕМПЕРАТУРА

Надо помнить, если оптимальная рабочая температура масла не достигнута,  двигатель будет работать и смазываться неэффективно.

Если рабочая температура в картере ниже 90°С, когда водная система охлаждения имеет оптимальную температуру, тогда будет иметь место дополнительное охлаждение масла, охлаждающего детали двигателя, такие как юбка поршня или коленвал.  Это мешает температурному расширению и увеличению размеров, а соответственно и  установлению нужного зазора между деталями. Для примера, гильза цилиндра расширяется из-за теплоты сгорания, но поршень будет чрезмерно охлаждаться из-за низкой температуры масла. Зазор между поршневыми кольцами, юбкой поршня и гильзой цилиндра не будет оптимальным, как результат неэффективный процесс сгорания, который, в свою очередь, усилит процесс  разбавления масла с топливом, образование сажи и ухудшит эффективность расхода топлива.

Дополнительная проблема, которая не так заметна, это образование кислот в масле. В холодном двигателе конденсируется влага, содержащаяся в атмосферном воздухе, и вода является нормальным продуктом сгорания. Когда топливо сгорает, продукты сгорания попадают в масло и, в присутствии воды, они образуют разрушительные кислоты. Если температура масла слишком низка, это создает идеальную среду для такого процесса. При нормальных рабочих температурах, большая часть воды испаряется, и кислота не может уже так легко образовываться. При низкой температуре масла они образовываются, и могут стать причиной химической кислотной атаки на лёгкие металлы, что может снизить ожидаемый срок службы двигателя.

Эта проблема может усугубиться, если при низкой температуре масло будет слишком густым, для того чтобы быть эффективно отфильтрованным, сработает байпассный клапан, и почти непрерывно через масляную магистраль будет идти какая-то часть не отфильтрованного масла. Это может быстро привести к ускоренному износу. Из-за переохлаждения, эффективность уплотнений может быть недостаточной, возможно возникновение утечек масла и/или рост загрязнений. Все эти факторы могут привести к уменьшению срока службы двигателя. Безопасная температура масла и вязкость показана на рис. 8.

Рис. 8.

ВЫСОКАЯ РАБОЧАЯ ТЕМПЕРАТУРА

Высокая рабочая температура может быть гораздо более вредной для нормальной работы двигателя. И хотя общеизвестно, что более высокая температура предполагает более эффективную работу двигателя, всё же есть оптимальный диапазон рабочих температур и их ограничения, превышение которых может закончиться катастрофическим износом. Высокая температура угрожает деталям смазываемым в режиме гидродинамической смазки больше, чем деталям смазываемым в режиме граничного смазывания.

Когда рабочая температура масла вырастает, вязкость падает, и давление масла тоже падает. При нормальной рабочей температуре масло способно более чем хорошо выполнять свою смазывающую функцию, но когда рабочая температура вырастает выше нормального диапазона, масло становится слишком жидким для того чтобы хорошо смазывать детали двигателя, особенно когда приложена дополнительная нагрузка, например, как в случае с нижней головкой шатуна и его крышкой. Когда температура вырастает, металлические детали расширяются и зазор, между ними, уменьшается.

Масло теряет вязкость, позволяя происходить контакту между шатунными  подшипниками скольжения и шейкой коленчатого вала, особенно в процессе такта сжатия и сгорания (см. рис. 9).

Рис. 9

Такая ситуация может привести к интенсивному износу подшипника в зоне контакта. Если работа при таких условиях продолжится, это приведёт, в конечном счёте, к катастрофическому износу и поломке двигателя, как это показано на фотографиях ниже:

Проблема высокой температуры масла усугубляется и далее, постоянный контакт шейки вала и подшипника увеличивает трение и, следовательно, генерирует дополнительное тепло. Температура масла идет вверх, масло начинает окисляться, что можно определить посредством анализа масла. Как только температура масла поднимается выше 125°C, масло становиться настолько жидким, что оно начинает обходить поршневые кольца и гореть в процессе сгорания топлива. Масло, по сравнению с топливом, находится в очень низкой концентрации, и, в основном, его не видно при выхлопе. В такой ситуации, возрастает расход масла, и частые доливки должны поддерживать необходимый уровень масла.  Во время доливки вы освежаете масло, освежаете пакет присадок, и разбавляете загрязнения и продукты деградации масла. Это обстоятельство, когда продукты окисления старого масла разбавляются, часто становится причиной затрудняющей их определение во время анализа масла. Та же проблема происходит, когда частицы износа, появившиеся в результате повышенного уровня износа, разбавляются свежим маслом, и уменьшается их концентрация. Рисунок 10 иллюстрирует, как попадание загрязнений влияет на показатели износа, показывает, как повышенный уровень износа начинает выглядеть нормально, как только начинает расти расход (доливки) масла.

Рис. 10: Попадание загрязнений, повышенный износ и зависимость расхода масла от показатели износа.

Эта проблема часто остаётся не замеченной до серьёзной поломки. Очень часто проблема не определяется  сразу, и отказы списываются на счёт недостаточного смазывания, т.к.  эти виды неисправностей очень похожи. Шатуны перегреваются до синего каления, шатунные вкладыши заедают и начинают вращаться в крышке, приводя в негодность и сами подшипники и корпус. И это всё происходит при исправном масляном насосе и пригодном масле в картере.

Показателем такой поломки, которая отличает её от неисправности происходящей из-за плохого смазывания, является состояние масляного насоса и юбки поршня. Если произошёл отказ из-за масляного голодания, когда в картере нет масла, в большинстве случаев масляный насос будет сломан или шестерни насоса будут уже синими, а юбка поршня будет иметь следы задиров. В случае перегрева, масляный насос может быть бесцветным, но не синим, и точно не быть сломанным. Юбки поршня, обычно, не повреждены.

Это проблема чаще случается на новых или недавно прошедших капремонт двигателях, т.к. зазоры с новыми деталями намного меньше, чем со старыми. Из-за меньшего зазора, меньше возможное тепловое расширение и, следовательно, такие неисправности случаются чаще. Эти неисправности будут чаще происходить на шейке вала с наименьшим зазором.

В заключение, хотелось бы сказать, что перед отправкой дорогих машин в работу, особенно с тяжелыми условиями окружающей среды, необходимо выполнить следующее:

• Должно использоваться масло одобренное компанией-производителем.
• Рабочее пространство должно соответствующим образом вентилироваться.
• Система охлаждения должна соответствовать применению и окружающей среде.
• Уровень масла должен поддерживаться должным образом.
• Должна применяться профессиональная программа анализа масла и строго выполняться.