Экспериментальные исследования реологических свойств всесезонных моторных масел

Введение. Сегодня при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания наибольшее распространение получили всесезонные моторные масла. Их круглогодичное применение целесообразно вследствие большего, чем у сезонных, индекса вязкости. Кроме того, использование всесезонных масел уменьшает образование отложений, облегчает запуск двигателя при низких температурах, а также способствует повышению ресурса, благодаря несколько большей, чем у сезонных, вязкости при повышенных температурах.

Так, например, американская фирма Cummins Inc. (Камминс) - один из крупнейших в мире производителей дизельных двигателей для тягачей, автобусов, бронетехники и самоходных судов, рекомендует использовать в зависимости от температурных условий всесезонные моторные масла классов SAE 0W-30, 5W-30, 10W-30, 5W-40, 15W-40. Отечественные двигателестроительные компании также рекомендуют применять всесезонные моторные масла.

Однако, эффективное применение масел таких классов возможно только в том случае, если это допускает конструкция двигателя, в частности, подшипников скольжения коленчатого вала. Это связано с некоторыми особенностями реологического поведения всесезонных масел. В частности, с зависимостью вязкости от скорости сдвига [1].

Настоящая статья является частью работы по созданию методики расчёта гидромеханических характеристик сложнонагруженных подшипников скольжения, работающих на неньютоновских маслах [2].

При создании методики был использован известный подход, основанный на модификации обобщенного уравнения Рейнольдса путём применения различных реологических законов. С точки зрения гидродинамической теории смазки, как теоретического фундамента для расчёта подшипников скольжения ДВС, вязкость, входящая в обобщенное уравнение Рейнольдса, является наиболее важной характеристикой смазочного материала. Изменение вязкости влияет на распределение гидродинамических давлений в подшипнике скольжения и, следовательно, на все его гидромеханические характеристики. В связи с этим, задача исследования реологических свойств всесезонных моторных масел и обоснование выбора реологической модели является принципиальной при разработке методики расчёта.

Следует отметить значительный вклад американских, европейских инженеров и исследователей в изучение влияния реологии моторных масел на работу двигателей внутреннего сгорания, в частности, подшипников скольжения коленчатого вала. Результаты многочисленных исследований были учтены в классификации SAEJ3OO [3] (табл. 1), являющейся сегодня единственной признанной во всём мире системой классификации автомобильных моторных масел. Согласно этой классификации в отношении всесезонных масел устанавливается понятие минимальной вязкости при температуре 150 °C и скорости сдвига (отношение скорости скольжения к зазору) 10⁶ с”¹, так называемая высокотемпературная, высокоскоростная вязкость (HTHS). Измерение вязкости при таких условиях проводят с помощью вискозиметра, представляющего собой имитатор конического подшипника (по методике ASTM D4683-09), который имеет высокую стоимость и сложность конструкции.

Таблица 1

Степени вязкости SAE для моторных масел (действующий стандарт SAE J300 APR97)

Степень вязкости	Низкотемпературная вязкость		Высокотемпературная вязкость
	Проворачиваемость	Прокачиваемость	Вязкость при 100 °C, мм2/с		Вязкость HTHS при 150 °C и скорости сдвига 106 с *; мПа-c, не менее
	Максимальная вязкость, мПа-с		min	max
	при темп. *	при темп. **
0W	3250 при -30 °C	60 000 при -40°С	3,8
5W	3500 при -25 °C	60 000 при -35°С	3,8
10W	3500 при-20 °C	60 000 при -30°С	4,1
15W	3500 при-15 °C	60 000 при -25°С	5,6
20W	4500 при -10 °C	60 000при-20°С	5,6
25W	6000 при -5° С	60 000 при -15°С	9,3
20			5,6	<9,3	2,6
30			9,3	<12,5	2,9
40			12,5	<16,3	2 9***
40			12,5	<16,3	3у****
50 ‘			16,3	<21,9	3,7
60			21,9	<26,1	3,7

Примечания: 1 сСт = 1 мм2/с. * При запуске холодного двигателя, вязкость проворачивания, измеряется на вискозиметре CCS; ** в отсутствии напряжения сдвига, измеряется на вискозиметре MRV; *** для масел SAE 0W-40,5W-40 и 10W-40; **** для масел SAE 40,15W-40, 20W-40 и 25W-40.

Рис. 1. Измерительный комплекс Rheotest RN 4.1: 1 - вискозиметр; 2 - блок управления; 3 - измерительные системы; 4 - криостат; 5 - термостатирующие сосуды

Таким образом, в этом стандарте косвенно учитываются особенности реологического поведения всесезонных масел. Однако понятие HTHS вязкости не отражает особенностей реологического поведения масел при других рабочих условиях, т. е. при скоростях сдвига менее 106с-1 и температурах менее 150 °C.

В связи с этим, главная цель - исследование реологических свойств современных всесезонных моторных масел. Результаты этих исследований могут быть полезны специалистам, занимающимся проектированием двигателей внутренне го сгорания.

Оборудование, образцы масел, условия эксперимента. На сегодняшний день в ГОУ ВПО ЮУрГУ в вузовско-академической лаборатории «Триботехника» им. д-ра техн, наук, профессора В.Н. Прокопьева имеется возможность исследовать реологические свойства масел в диапазоне скоростей сдвига от 1 до 6,58Т0³ с”¹ и температурах от +30 до +170 °C с помощью измерительного комплекса Rheotest RN 4.1, общий вид которого представлен на рис. 1.

В качестве объектов исследования были взяты моторные масла класса вязкости SAE 10W-40, условно обозначенные как А, В и С. Выбор масел такого класса вязкости обусловлен тем, что SAE 10W-40 один из наиболее подходящих для большей части территории России классов. Основной целью исследований является измерение зависимости вязкости масел от скорости сдвига при температурах от +40 до +150 °C, а также аппроксимация полученных зависимостей и расчёт необходимых параметров реологической модели.

Выбор температур обусловлен, с одной стороны, отечественным ГОСТ 25371-97 [4], с другой стороны, международным стандартом SAEJ300.

Методика эксперимента и результаты. Исследования были выполнены в соответствии с рекомендациями, изложенными в руководстве по эксплуатации к измерительному комплексу Rheotest RN 4.1. Методика эксперимента включает следующие основные этапы: калибровки, термостатирования, измерения, обработки результатов.

Калибровка необходима для проверки точности показаний комплекса, а также для оценки систематической погрешности. Для проверки был использован государственный стандартный образец вязкости (ГСО-40). Отклонение измеренных значений от нормы составило менее 5 %, что соответствует заявленной точности. Для вычисления систематической погрешности были выполнены измерения эталонных жидкостей, вязкость которых заведомо известна и не зависит от скорости сдвига при ее значениях, достигаемых в ротационном вискозиметре: масло М8Г2к и индивидуальное химическое вещество - триэтаноламин. Результаты четырёх последовательных измерений вязкости масла М8Г2к при плавном изменении скорости сдвига от 0 до 6,58-103 с”1 представлены на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость вязкости масла М8Г2к от скорости сдвига при Т = 100 °C

Видно, что масло М8Г2к имеет некоторую зависимость вязкости от скорости сдвига. Однако этого не может быть априори, поскольку масло М8Г2к не содержит загущающих вязкостных присадок и является ньютоновской жидкостью.

Наибольшие отклонения от линейных наблюдаются при низких значениях скорости сдвига. За истинное значение вязкости принимали значение в области наименьшей зависимости показаний прибора от скорости сдвига, т. е. минимальные значения (pmm ).

Поправочные коэффициенты для соответствующих значений скорости сдвига у( были рассчитаны по формуле

^.=^,                                               (1)

И/ где ц, - показания прибора при скорости сдвига у,, Па с.

Значения поправочных коэффициентов, рассчитанные для масла М8Г2к и триэтаноламина, представлены на рис. 3.

Рис. 3. Значения поправочных коэффициентов

Результаты измерений показали, что поправочные коэффициенты практически совпадают для ньютоновских жидкостей, принадлежащих к разным химическим классам, и не зависят от температуры измерения.

Для того чтобы обеспечить необходимую точность измерений, пробу масла выдерживали в течение двадцати минут при заданной температуре. Измерение зависимости вязкости от скорости сдвига осуществлялось после того, как температура стабилизировалась с точностью до ± 0,5 °C. При обработке результатов все полученные значения были скорректированы с помощью найденных поправочных коэффициентов.

Результаты измерений реологических свойств моторных масел класса SAE 10W-40 представлены в табл. 2 и на рис. 4.

Таблица 2

Снижение вязкости (в %) в диапазоне скоростей сдвига от 103 с-1 до 6,58-103 с-1

Масло	Т = 40 °C	Г = 100 °C	Г = 120 °C	Г = 150 °C
А	13	3,7	12,3	26,2
В	7,1	4,9	4,2	6,5
С	5,7	6,2	9,7	17,1

Результаты свидетельствуют о том, что в диапазоне скоростей сдвига от 10³с ¹ до 6,58 • 10³ с^-1 снижение вязкости может достигать 26 % (см. табл. 2). Как видно из рис. 4, вязкость масел может значительно различаться в пределах одного класса. Важно отметить, что вязкость масел А, В и С при температуре 150 °C составляет 3,3, 4,3 и 3,9 мПа-c, соответственно. Минимально допустимое значение вязкости по международному стандарту SAE 1300 для масел класса вязкости 10W-40 составляет 2,9 мПа с при температуре 150 °C и скорости сдвига 10⁶с^-1 (см. табл. 1). Таким образом, можно предположить, что существующий стандарт не исключает возможности релаксационного снижения вязкости моторного масла в наиболее напряженном режиме работы двигателей.

Для подтверждения этого предположения полученные зависимости вязкости от скорости сдвига были аппроксимированы степенным законом [1]:

Ц^у"-1.                                                                     (2)

Здесь к - мера консистенции; п - показатель, характеризующий степень неньютоновского поведения.

После несложных математических преобразований получили выражение для показателя п:

1g ^

П--------;

1g У где // - кажущаяся вязкость при максимальной скорости сдвига у = 6,58 • 103с 1

Рис. 4. Зависимости вязкости масел А, В и С (SAE 10W-40) от скорости сдвига для разных температур: а) Т = 40 °C; б) Т = 100 °C; в) Т = 150 °C. 1 - масло А; 2 - масло В; 3 - масло С

В качестве меры консистенции к была принята кажущаяся вязкость при скорости сдвига 10² с^-1. Значения ц, к и п представлены в табл. 3.

Таблица 3

Значения Ц, к и п

Масло	Параметры	40 °C	100 °C	120 °C	150 °C
А	ц, мПа-с	59,97	10,19	6,3	3,23
	к, мПа-с1/"	65,82	11,68	7,8	5,06
	п	0,989	0,984	0,975	0,949
В	ц, мПа с	64,67	9,69	6,66	3,91
	к , мПа ■ cVn	70,15	10,65	7,44	4,19
	И	0,991	0,993	0,987	0,988
С	ц, мПа • с	69,31	11,35	7,40	4,344
	к, мПа-с1/"	73,17	13,54	9,54	7,18
	п	0,994	0,980	0,971	0,943

Важно отметить, что показатель и, характеризующий степень неньютоновского поведения масла, является функцией температуры.

На рис. 5 представлены результаты аппроксимации зависимости вязкости от скорости сдвига (при температуре 150 °C, скорости сдвига 106с-1), а также экспериментальные значения в диапазоне скоростей от 102 с-1 до 6,58 103 с-1.

Рис. 5. Зависимости вязкости масел от скорости сдвига при температуре 150 °C: а - масло А; 6 - масло В; в - масло С. 1 - расчётные значения; 2 - экспериментальные значения

Видно, что при найденных параметрах степенного закона расчётные и экспериментальные значения хорошо согласуются в диапазоне скоростей сдвига от К)³ с™¹ до 6,58 10³ с^-1. Важно отметить, что при скорости сдвига 10⁶ с^-1 расчётные вязкости масел А и С составляют 2,83 и 3,41 мПа с, соответственно. Отклонение от минимально допустимого значения 2,9 мПас по стандарту SAE J300 составляет 2,4 % для масла А и 15 % для масла С . Эти результаты хорошо согласуются с данными работы [5].

Однако для масла В аппроксимация даёт завышенное значение вязкости - 3,7 мПа с, что соответствует минимально допустимому для классов SAE 15W-40, 20W-40 и 25W-40.

Заключение. На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы:

• 1.    Степенной закон с достаточной точностью позволяет описывать реологическое поведение современных всесезонных моторных масел в диапазоне скоростей сдвига от 10³ с^-1 до 10⁶с^-1. Для температуры 150 °C при п = 0,949 и к = 5,06 мПа • с^1/л степенной реологический закон обеспечивает минимальные значения вязкости в соответствии с международным стандартом SAE 1300 для масел класса 10W-40.

• 2.    Предшествующие расчётные исследования показали, что при температурах 140... 150 °C и значениях вязкости 4...6 мПа-c толщина разделяющего слоя в подшипниках достигает значений, близких к минимально допустимым [2], поэтому даже при незначительном снижении вязкости возможен переход от жидкостного трения к граничным режимам с повышенной скоростью

изнашивания поверхностей трения. В связи с этим необходимо учитывать реологическое поведение масел при проектировании узлов трения, в частности, подшипников скольжения.

В настоящее время проводятся исследования реологических свойств всесезонных масел классов вязкости SAE 0W-40, 5W-40 и 15W-40.

Представленная работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» и Российского фонда фундаментальных исследований (проект 10-08-00424).