Вязкость масла
Вязкость масла – один из наиболее важных параметров автомобильного моторного масла. Большинство автовладельцев слышали об этом параметре, видели обозначение вязкости на этикетках канистр с маслом, но мало кто знает, что обозначают эти буквы и цифры и на что они влияют. В своей статье мы расскажем о вязкости масла, системах обозначения вязкости и о том как выбрать вязкость масла для двигателя вашего автомобиля.
Для чего используется масло
Автомобильное масло обеспечивает правильное функционирование различных систем. Оно используется для уменьшения трения, охлаждения, смазки, передачи давления на детали и узлы автомобиля, вывода продуктов сгорания. Самые тяжелые условия работы приходятся на моторные масла. Они должны не терять своих свойств в случае мгновенных перепадов тепловых и механических нагрузок, под воздействием кислорода воздуха и агрессивных веществ, возникающих при неполном сгорании топлива.
Масло создает масляную пленку на поверхности трущихся деталей и снижают износ, защищает от ржавчины, снижает воздействие химически активных компонентов, которые возникают в процессе работы двигателя. Циркулируя в картере двигателя, масло обеспечивает отвод тепла, выводит из зоны контакта трущихся деталей продукты износа (металлическую стружку), уплотняет зазоры между стенками цилиндров и деталями поршневой группы.
Что такое вязкость масла
Вязкость – самая важная характеристика для моторного масла, которая меняется в зависимости от температуры. Масло не должно быть слишком вязким в морозы, чтобы у стартера была возможность провернуть коленчатый вал и у масляного насоса была возможность прокачать масло в системе смазки. При высоких температурах у масла не должна быть малая вязкость, чтобы создавать масляную пленку между трущимися деталями и обеспечивать необходимое давление в системе.
Обозначения моторных масел по классификации SAE
Классификация SAE (Американское Общество Автомобильных Инженеров) характеризует вязкость и определяет в какой сезон можно использовать масло. В паспорте на автомобиль производитель регламентирует подходящие марки.
Масла по классификации SAE делятся на:
Цифра стоящая после буквы W в обозначении моторного масла указывает на его высокотемпературную вязкость, то есть минимальную и максимальную вязкость масла при его рабочих температурах (от 100 до 150 градусов). Чем выше цифра стоящая после буквы W, тем выше вязкость этого моторного масла при рабочих температурах.
Какая высокотемпературная вязкость должна быть у моторного масла для двигателя вашего автомобиля знает только его производитель, именно поэтому рекомендуется строго соблюдать требования автопроизводителя к моторным маслам, которые указаны в руководстве по эксплуатации вашего автомобиля.
Масла с разной степнью вязкостью рекомендуется использовать при разных температурных режимах:
Обозначение моторных масел по стандарту API
Стандарт API (American Petroleum Institute) определяет, где масло должно использоваться. Состоит из двух латинских букв. Первая буква S – бензиновый двигатель, C – дизель. Вторая буква – дата разработки автомобиля.
Бензиновые двигатели:
Для дизельных двигателей:
Кинематическая и динамическая вязкости масла
Для определения качества масла определяют его кинематическую и динамическую вязкость.
Кинематическая вязкость – это показатель текучести при нормальных (+40 о C) и высоких (+100 о C) температурах. Определяется с помощью капиллярного вискозиметра. Для его определения считается время, которое требуется маслу для истечения при заданных температурах. Измеряется в мм 2 /сек.
Динамическая вязкость – показатель, определяющий реакцию смазочного материала в имитаторе реальных нагрузок – ротационном вискозиметре. Прибор имитирует реальные нагрузки в двигателе с учетом давления в магистралях и температуре +150 о C и контролирует, как себя ведет смазывающая жидкость, как изменяется ее вязкость именно в моменты нагрузок.
Характеристики автомобильных масел
Температура вспышки – это величина, характеризующая наличие в масле легких фракций, которые испаряются и выгорают очень быстро, ухудшая качество масла. Минимальная температура вспышки не должна быть ниже 220 о C.
Температура застывания – величина, при которой масло теряет текучесть. Температура указывает момент кристаллизации парафина и полного твердения масла.
Индекс вязкости – характеризует зависимость вязкости масла от изменения температуры. Чем выше этот показатель, тем выше температурный диапазон работоспособности масла. Продукты с низким индексом вязкости позволяют эксплуатировать двигатель только в узком диапазоне температур. Так как при нагревании становятся слишком жидкими и перестают смазывать, а при охлаждении быстро густеют.
Щелочное число (TBN) показывает количество щелочных материалов (гидроксида калия) в одном грамме моторного масла. Единица измерения — мгKOH/г. Наличествует в моторной жидкости в виде моющих диспергирующих присадок. Их присутствие помогает нейтрализовать вредные кислоты и бороться с отложениями, появляющимися во время работы мотора. Со временем TBN падает. Большое падение щелочного числа приводит к коррозии и грязи в картере двигателя. Самым главным фактором падения щелочного числа — наличие серы в топливе. Поэтому масла для дизельных двигателей, где сера в присутствует в большем количестве, должны иметь более высокое TBN.
Кислотное число (TAN) характеризует наличие продуктов окисления в результате длительной работы и перегрева моторной жидкости. Его увеличение говорит об уменьшении ресурса работы масла.
Масляная основа и присадки
Автомобильные масла состоят из масляной основы и присадок. Присадками называются специальные вещества, которые добавляют в масло для улучшения его свойств.
Масляная основа бывает:
В современных маслах доля присадок составляет 15-20%.
По назначению присадки разделяются на:
Минеральные, синтетические и полусинтетические моторные масла
Масло – это смесь углеводородов с определенной структурой расположения атомов углерода. Они могут быть соединены в длинные цепочки или разветвляться. Чем длиннее и прямее цепи атомов углерода, тем лучше масло.
Минеральные масла получают из нефти, используя при этом разные способы:
Синтетическое масло получается из природного газа с помощью наращивания длины цепочек углеводородов. Таким способом легче получить более длинные цепочки. «Синтетика» — гораздо качественней, чем минеральные масла, примерно в три-пять раз. Единственный его недостаток – очень высокая цена.
«Полусинтетика» — смесь минерального и синтетического масла.
Какая вязкость масла лучше подходит для двигателя вашего автомобиля
Для Вашего автомобиля подходит только та вязкость, которая указана в сервисной книжке. Все параметры двигателя протестированы производителем, моторное масло подобрано с учетом всех параметров и режимов работы.
Прогрев двигателя и вязкость моторного масла
В начале работы автомобиля масло в двигателе холодное и вязкое. Соответственно, толщина масляной пленки в зазорах толстая, и коэффициент трения в этот момент высокий. При прогреве двигателя масло быстро прогревается и входит в рабочий режим. Именно поэтому, производители не рекомендуют сразу сильно нагружать двигатель (начинать движение без качественного прогрева) в сильные морозы.
Вязкость моторного масла в рабочих температурах
В условиях высокой нагрузки коэффициент трения увеличивается, и растет температура. Из-за высокой температуры масло разжижается и толщина пленки уменьшается. Коэффициент трения уменьшается и масло охлаждается. То есть, температура и толщина пленки изменяются в строго определенных производителем диапазонах. Именно такой режим позволит маслу хорошо выполнять свое назначение.
Что происходит, когда вязкость масла выше нормы
Если вязкость выше нормы, то, даже когда двигатель уже прогрелся, вязкость масла не упадет до рассчитанного инженером значения. В условиях нормальных нагрузок температура двигателя будет повышаться, пока вязкость не придет в норму. Из этого следует вывод – рабочая температура при работе плохо подобранного моторного масла будет постоянно повышена, что увеличивает износ деталей и узлов мотора.
При больших нагрузках – при экстренном разгоне или на длинном крутом подъеме, температура двигателя поднимется еще выше и может превысить температуру, при которой масло сохраняет свои рабочие свойства. Оно окислится, и в нем будут образовываться лак, нагар, кислоты.
Еще один недостаток слишком вязкого масла – часть мощности двигателя будет уходить на потери от больших усилий прокачки в системе.
Что происходит, когда вязкость масла ниже нормы
Вязкость масла ниже нормы не принесет ничего хорошего для двигателя.Масляная пленка в зазорах будет ниже нормы и просто не будет успевать отводить тепло из зоны трения. Поэтому в этих точках под нагрузкой масло будет сгорать. Продукты угара и металлическая стружка в зазорах между поршнем и цилиндром могут привести к заклиниванию двигателя.
Слишком жидкое масло на новом двигателе, когда зазоры еще не слишком большие, будет работать, но когда двигатель уже не новый, и зазоры сами по себе увеличатся, то процесс угара масла будет ускоряться.
Тонкая масляная пленка в зазорах не сможет обеспечить нормальную компрессию и часть продуктов сгорания бензина будет попадать в масло. Мощность падает, рабочая температура повышается, процесс истирания и угара масла ускоряется.
Такие масла используются на специальных автомобилях, режимы которых рассчитаны на работу именно с этими маслами.
Итоги
Масла одного класса вязкости, имеющие одинаковые спецификации, выполненные компанией, входящей в «большую пятерку» и имеющие одну масляную основу, обычно не вступают в агрессивное взаимодействие. Но если Вы не желаете иметь больших неприятностей, доливать лучше не больше 10-15% от общего объема. В ближайшее время после долива масло, лучше масло поменять полностью.
Перед выбором масла следует выяснить:
Чтобы понять, когда следует менять масло, надо ориентироваться на документацию к автомобилю. Для некоторых машин есть увеличенные периоды (30 000- 50 000 км). Для России с учетом качества топлива, условий эксплуатации и сурового климата следует производить замену через 7 500 – 10 000 км.
Требуется периодически контролировать качество и количество масла. Обращайте внимание на его внешний вид. Пробег автомобиля и количество мото-часов (времени работы) двигателя могут не соответствовать друг другу. Находясь в пробке, двигатель работает в нагруженном тепловом режиме, но одометр не крутится (авто не едет). В результате автомобиль проехал не так много, а двигатель проработал много. В таком случае лучше масло менять раньше, не дожидаясь требуемого пробега по одометру.
Со дна пожиже: можно ли загубить мотор слишком вязким маслом?
Мастера официальных дилерских сервисов породили немало опасных заблуждений, базируясь на рекомендациях производителей и не желая мыслить за пределами “гайдлайнов”. Чего стоит только опровергнутая многократно, в том числе производителями автоматических коробок, теория о “несменяемости” масла в АКП… Ещё одна популярная байка, тиражируемая дилерами, возникла на волне увлечения производителями маловязкими маслами вроде 0W20 и 0W30. Теперь многие проблемы с мотором объясняются мастерами использованием “слишком вязкого масла”. Попробуем разобраться, возможно ли это вообще.
Что такое SAE?
Н ачнём с пояснения простых вещей — с обозначений класса вязкости всесезонных масел по стандарту SAE, Сообщества автомобильных инженеров (Society of Automotive Engineers), наиболее популярному в мире. В обозначении, скажем, класса 5W30 первая цифра — это индекс вязкости при низких температурах, а вторая — при высоких.
Чтобы определить эти индексы, методика SAE предусматривает ряд инструментальных тестов: CCS – Cold Crank Simulator, MRV – Mini Rotary Viscometer для низкотемпературного диапазона и два теста при рабочей температуре — Kinematic viscosity для температуры 100 градусов и новый тест HTHS — High Temperature High Share для 150 градусов. Всё это делается с помощью точной сложной аппаратуры, и фиксироваться на этой части мы не будем.
Для каждого класса масла определен диапазон, в который должны укладываться его характеристики. Но общий смысл обозначения максимально прост: первая цифра говорит, насколько вязким является масло при холодном старте, а вторая — насколько оно выдерживает рабочие температуры. При этом каждая из цифр вовсе не означает абсолютное значение вязкости.
Для иллюстрации мы взяли результаты исследования лаборатории компании Widman International и немного адаптировали их для российского читателя.
На графиках хорошо заметно, как сильно параметры вязкости масел меняются при росте температуры. Очевидно, что пока мотор не прогреется хотя бы до 30 градусов, ему приходится очень тяжело, особенно на маслах 10W40 и 15W40.
А вот между 40 и 80 С можно наблюдать совсем интересную картину: с ростом температуры кривые начинают пересекаться. И масло 10W40 к 80 градусам становится менее вязким, чем 5W40.
Оптимальная вязкость при рабочей температуре (от 100 до 110 градусов) — от 9 до 18 мм2/с. В эти границы попадают все масла, но при даже незначительном дальнейшем росте температуры масло 5W30 теряет остатки всей вязкости и становится слишком жидким. Так что тут более вязкие масла даже имеют очевидное преимущество.
Аналогичные “сюрпризы” существуют и для низкотемпературного индекса. И, конечно же, масла с одной номинальной вязкостью и полностью соответствующие стандарту всё же могут довольно существенно различаться по характеристикам. Но для простоты объяснения я буду учитывать индексы вязкости раздельно — как масла 5W или как масла W40, говоря о низкотемпературной и рабочей вязкости, без оговорок о реальном классе масла, чтобы не вносить путаницу. Просто подразумевая, что большая вязкость соответствует большему классу вязкости, без дополнительных хитростей и оговорок.
Еще один важный момент связан с тем, что холодная вязкость масла на порядок или два отличается от вязкости при рабочей температуре. Типичное минеральное масло 15W40 при температуре около нуля градусов имеет кинематическую вязкость порядка 1 500 мм2/с, а при рабочей температуре этот параметр уже составляет всего 13 единиц. У синтетики 5W30 эти параметры меняются не так сильно: 900 мм2/с при нулевой температуре и порядка 11 при рабочей.
Вязкость зависит от температуры нелинейно: в зависимости от состава масла она резко повышается в зоне низкой температуры и достаточно плавно изменяется в области рабочих температур. Замер рабочей вязкости проводится при ста градусах Цельсия, но рабочим диапазоном обычно является зона от 20-30 градусов, когда вязкость выше номинальной уже не на два порядка, а менее чем в десять раз.
В зависимости от двигателя и режима эксплуатации температура масла внутри него существенно различается, а значит, и вязкость одного и того же масла в рабочем режиме в разных двигателях разная. Более того, она непрерывно меняется в процессе движения. Таким образом, выбор вязкости масла связан еще и с такими параметрами, как типичная длительность поездки, нагрузка и температура окружающей среды.
К тому же на температуру масла (а значит, и на его вязкость) заметно влияет состояние двигателя. Повышенный объем картерных газов, неисправная система вентиляции, дополнительная защита картера, изношенный масляный термостат, грязный маслорадиатор — всё это вносит свои коррективы в режим работы масла.
Кроме того, нужно учитывать, что масло меняет свою вязкость в процессе эксплуатации. Обычно рабочая вязкость снижается по мере вырабатывания загущающих присадок, что особенно характерно для масел с вязкостью свыше W40, а низкотемпературная вязкость, наоборот, возрастает, поскольку срабатываются и присадки, повышающие текучесть при низкой температуре. Последнее характерно для всех масел с существенной долей минеральной основы, то есть, фактически для 99% масел на рынке, потому что даже у очень дорогих эта доля менее 30% не бывает. Чистая синтетика может вести себя иначе, но это тема для отдельного разговора.
Гуще или жиже?
С учетом вышесказанного становится понятно, что никто не будет пытаться создать двигатель, которому для работы нужно масло строго определенной вязкости, не выше и не ниже заявленной в документах. Это просто технически невозможно: как я уже подробно говорил выше, вязкость масла постоянно меняется, причём в весьма широком диапазоне.
Но самый главный вывод — в том, что мотор существенную часть своего пробега работает с маслом, вязкость которого на порядок или даже два выше, чем его вязкость при рабочей температуре согласно SAE. Потому, опять же, ни один производитель не будет делать двигатель, которому могло бы повредить более вязкое масло. Даже если у вас залито масло с индексом вязкости в два раза выше, чем рекомендуемое, мотору это совершенно безразлично — он прекрасно будет работать и на этом масле. Ему это вредит не больше, чем типовая 15-минутная поездка, особенно зимой.
Конечно, в долгосрочной перспективе возможно проявление каких-то особенностей, вызванных использованием слишком вязкого масла. Но их никак нельзя назвать фатальными для всего мотора. Например, может раньше срока износиться редукционный клапан насоса, сам маслонасос или фазорегуляторы. Но и это крайне маловероятно.
Фактически мотор рассчитывается на минимальную, а не максимальную рабочую вязкость масла. Любое уменьшение его рабочего давления критично, а вот небольшое повышение вязкости и давления — практически безвредны. Они приведут к небольшим колебаниям характеристик, и не более того. И уж совершенно точно нет ни одного двигателя, в котором «масляные каналы слишком узкие» или «зазоры слишком маленькие».
Другое дело — использование слишком маловязкого масла. Как мы видели из графиков, при высоких температурах маловязкие масла могут переступить минимальный порог вязкости в 9 мм2/с. Для масла 5W30 это возможно уже при 115 градусах. Тем временем, нормальная рабочая температура в современных моторах может достигать 110 градусов, а масло им часто рекомендуют и вовсе 0W20. И тут последствия могут быть более губительными, вплоть до проворота вкладышей и износа шеек коленвала. Поэтому уж лучше более густое масло, чем более жидкое.
Вязкость моторного масла
Главная задача моторного масла – не допустить сухого трения движущихся деталей двигателя (заменить его гидродинамическим, т.е. жидкостным), а также обеспечить минимальную силу трения при максимальной герметичности рабочих цилиндров. Молекулы жидких тел при перемещении также вызывают трение, это сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой и называется вязкостью.
Вязкость масла является показателем смазывающих свойств, так как именно от вязкости масла зависит качество смазывания, распределение масла на парах трения и, тем самым, износ деталей. Кроме того, от вязкости зависят потери энергии при работе двигателя.
На определение вязкости моторного масла влияют два основных фактора — температура и скорость сдвига. Чистое базовое масло является т.н. ньютоновской жидкостью, т.е. его параметры линейно зависимы — при определенной температуре и давлении оно будет иметь определенную вязкость. Так, при повышении давления, уменьшается объем и усиливается взаимное притяжение молекул и увеличивается сопротивление течению, вязкость масла увеличивается. При повышении температуры процесс прямо противоположный — вязкость уменьшается.
Создать смазочный материал, который способен сохранять весь спектр свойств неизменно в огромном диапазоне температур практически невозможно. При низких температурах масло становится более густым, при высоких, наоборот, более текучим.
Важно понимать, что температура прогретого двигателя нестабильна. Датчик температуры на приборной панели автомобиля показывает температуру антифриза, которая, остается практически неизменной при правильной работе системы охлаждения двигателя. Однако температура моторного масла может достигать 140 – 150 градусов.
Исходя из этого, для каждого отдельно взятого двигателя автопроизводитель определяет компромиссные оптимальные параметры моторного масла и самый главный из них — это вязкость.
При низкой температуре и высоком давлении вязкость масла, например, в зацеплении шестерен, может увеличиться настолько, что масло станет твердой пластичной массой. В трансмиссии 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.
Однако, в современные всесезонные масла, зачастую, добавляют полимерные загустители — модификаторы вязкости. При повышении температуры они расширяются, увеличивая тем самым вязкость, а при снижении — сжимаются, снижая ее.
Быстрое скольжение поверхностей трения вызывает высокую скорость течения масла в узких зазорах и проявляется высокая деформация сдвига, которая вызывает деструкцию молекул полимеров (загустителей), которые входят в состав масла. При высокой скорости сдвига они могут сжиматься, что приводит к снижению вязкости, хотя их основная задача — увеличивать вязкость при высоких температурах. При сравнительно небольшой деформации сдвига, полимерные молекулы только раскручиваются, а после снятия напряжения, со временем, могут восстановить свою конфигурацию и вязкость. Такое снижение вязкости называется временным. Именно из-за этого явления сообщество автомобильных инженеров и ввело параметр HTHS, о котором мы поговорим далее.
Кинематическая вязкость
Кинематическая вязкость — это отношение динамической вязкости к плотности. Этот параметр показывает его текучесть при нормальной и высокой температуре и низкой скорости сдвига. Показатель выражается в сантиСтоксах (1 сСт=1 мм 2 /с).
Для замера показателя используется стеклянный вискозиметр.
Индекс вязкости
Индекс вязкости (ИВ, VI — Viscosity Index) — это величина, которая показывает, как сильно меняется вязкость масла в зависимости от температуры. Чем он выше, тем лучше. Однако нетипично высокий ИВ может свидетельствовать о большом вовлечении полимерного загустителя и невысоком качестве базы.
Невысокий индекс вязкости у минеральных базовых масел (у парафиновых — около 100, нафтеновых — 30-60, а у ароматических он может быть меньше нуля), более высоким ИВ обладают масла III группы, произведенные по технологии гидрокрекинга (от 120). Лидерами являются ПАО, у которых этот показатель может превышать ИВ 130, а у полиалкиленгликолей он может доходить до 150.
Динамическая вязкость
HTHS (High Temperature High Shear) — вязкость при высокой температуре и скорости сдвига
Интересно, что в отчете ASTM 1989 говорится, что 12 лет усилий, приложенных к разработке нового стандарта вязкости при высокой температуре и высокой скорости сдвига, не увенчались успехом. Если взглянуть на таблицу SAE J300, то можно увидеть, что для всесезонных и сезонных масел параметр HTHS разный: для SAE 40 он больше 3,7 мПа*с, а для, SAE 5W-40 он составляет не более 3,5 мПа*с. Однако, от текущих стандартов не отказались, так как рынок смазочных материалов ни одной поломки, связанной с параметром HTHS.
CCS (Cold Cranking Simulator)
Показатель динамической вязкости моторного масла, определяемый на имитаторе запуска холодного двигателя (Cold Cranking Simulator, CCS). Выражается в мПа*с. Чем он меньше, тем легче провернуть масло в цилиндро-поршневой группе.
MRV (Mini Rotation Viscometer)
Низкотемпературная динамическая вязкость, определяемая на миниротационном вискозиметре (Mini Rotary Viscometer). Этот показатель свидетельствует о том, сможет ли маслонасос прокачать загустевшее масло. Измеряется в мПас*с.
Расшифровка маркировки моторных масел: что значат цифры?
Вышеперечисленные параметры (кинематическая вязкость, CCS, MRV и HTHS) используются для классификации моторных масел по стандарту SAE J300. Согласно нему, автомобильные масла делятся на:
Расшифровать надпись можно по этой таблице.
Какую выбрать вязкость масла?
Заливать нужно масло именно той вязкости, которую рекомендует производитель автомобиля. Более густое, чем необходимо (как и менее вязкое) приведет к ускоренному износу деталей двигателя.
Нужно понимать, что автопроизводители рассчитывают зазоры в двигателе именно под рабочие температуры (для большинства моторов 100-150 градусов), специально заставляя двигатель работать при повышенных нагрузках. Именно поэтому более вязкое холодное масло помогает двигателю быстрее прогреться.
