Вязкость Моторного Масла (1 часть)

В настоящей статье я хотел уделить внимание рассмотрению вопросов, связанных с вязкостными характеристиками моторного масла. Почему? Потому что вязкость моторного масла является одной из важнейших и основных характеристик и одним из параметров, характеризующих его качество. Вы спросите: а как же смазывающие, моющие свойства продукта? Просто поверьте пока на слова, что современный продукт требует таких высоких технологий, что первоначально заложенные естественные свойства продукта начинают отходить на второй план.

Немного забегу вперед, упомянув слово «качество». Что же такое качество масла? На этот вопрос исчерпывающе я отвечу чуть позже. Пока условно свяжем его с категорией масла по международной классификации: американского института нефти - API. Это те латинские буквы, которые вы можете увидеть на коробке. Чем выше буква алфавита в обозначении, тем выше качество масла. И это первое на что вы должны обратить внимание при выборе моторного масла.

Кстати, о коробке: категорически советую приобретать масло в упаковках объемом 1 литр либо 5. Хотя, в своем большинстве, продавец будет вам предлагать упаковку объемом 4 л. Пять литров – это европейский стандарт. Четыре литра – это упаковка сделана для украинского рынка, а хороших украинских производителей я знаю не так много, на слуху единственное имя – XADO.

Вернемся к вязкости масла. В этой сфере всегда возникают споры, большинство которых основано на неверном представлении о ней либо это связано с недостаточностью полученной информации, ее пренебрежением. Вязкость моторного масла – понятие широкое, его одной физической величиной не опишешь. За последнее время появилось очень много литературы, посвященной моторному маслу, которая как помогает, так и мешает потребителю ориентироваться в смазочных материалах.

Информация, изложенная в этой статье, будет всегда полезна как автолюбителям и профессионалам, которые самостоятельно осуществляют выбор моторных масел и хотят в этом разбираться, так и тем, кто занимается продажами смазочных материалов.

Итак, начну. Если рассматривать автомобильный двигатель как некую сложную систему (черный ящик), то моторное масло следует считать важнейшим элементом данной системы. От его качества зависит долговечность двигателя, то есть пробег до капитального ремонта и его надежность в эксплуатации. А, следовательно, ваши расходы на содержание автомобиля.

Вообще, выбирая моторное масло необходимо учитывать: группу эксплуатационных свойств, класс вязкости и специальные допуски производителя вашего автомобиля, если они есть. Мы это тоже рассмотрим в порядке очереди.

Информацию о моторном масле, которое вам нужно (даже его конкретном названии) можно посмотреть в руководстве по эксплуатации автомобиля/ сервисной книжке (manual – книжечка в кожаном переплете в бардачке) либо воспользоваться интернетом - загуглить, сейчас широко распространены электронные сервисные книги и on-line поддержка клиентов.

Данные о качестве, вязкости и допусках производителя, как правило, указаны на упаковке масла. Если информация не понятна или ее недостаточно, то за дополнительной информацией следует обратиться к продавцу. Общий принцип выбора таков: чем более новая конструкция двигателя и меньше пробег автомобиля, тем выше должен быть класс качества и меньше вязкость масла, которое следует применять, НО… я всегда за разумный выбор.

Из курса школьной физики нам известно, что вязкость – это коэффициент внутреннего трения или сопротивления течению жидкости. Вязкость масла в основном зависит от температуры, давления и скорости сдвига (оборотов коленчатого вала двигателя и нагрузки на него).

Для вашего мотора необходимо применять масла с оптимальной вязкостью и это зависит, прежде всего, от его конструкции (зазоров в сопряжениях) и условий его эксплуатации: режима работы и степени износа, температуры окружающей среды и других факторов. Вязкость является общим показателем для всех масел, по которому их можно сравнить друг с другом.

Вязкость масла напрямую влияет на эффективность работы системы смазки, и, следовательно, на качество смазывания и распределение масла на поверхностях трущихся деталей. Вязкость определяется при разных значениях температур и скоростей сдвига, которые близки к реальным значениям при эксплуатации.

В физике различают две вязкости жидкости: кинематическую и динамическую, связанные между собой величиной плотности жидкости. Для определения (класса) вязкости моторного масла определяет обе, причем при разных температурах и нагрузках.

Единственной признанной в мире системой классификации автомобильных моторных масел является спецификация SAE J300 (последняя редакция JAN2015 года). SAE - это аббревиатура Общества Автомобильных Инженеров США (Society of Automotive Engineers), а DEC99 – дата ввода ее в использование. Система разработана SAE и ASTM (Американским обществом испытания материалов), согласованная с DIN (немецким промышленным стандартом) и ISO VG (международной организацией по стандартам). Согласно классификации SAE, моторные масла делятся на следующие 12 классов:

6 зимних (Winter) SAE 0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W;

и 6 летних летние SAE 10, 20, 30, 40, 50, 60.

А уже в редакции января 2015 года летних классов становится не шесть, а девять, к прежним шести добавились: SAE 8, SAE 12 и SAE 16, регламентирующих требования к моторным маслам с уникально низкими вязкостными свойствами.

Такие уникальные по своим низким вязкостным свойствам моторные масла необходимы для высокотехнологичных и высокооборотистых современных двигателей с низкими зазорами в подшипниках с целью снижения потерь на трение. Они категорически не подходят к большинству двигателей европейских автомобилей, которые эксплуатируются в Украине. Но специалистам советую обратить на данный факт свое внимание.

Можно выделить несколько этапов классификации масел по их вязкости:

- определение динамической вязкости (единицы измерения - сантиПуазы, mPas) при отрицательных температурах, в диапазоне от -10 до -40 градусов (при минимально возможной температуре прокачиваемости) с шагом 5 градусов, в зависимости от класса вязкости SAЕ стандартными методами ASTM D5293 - имитатор холодного пуска CCS (Cold Cranking Simulator), ASTM D4684 и D 3829 – миниротационный вискозиметр MRV. Присутствие любого напряжения сдвига, обнаруживаемое данным методом, означает непрохождение теста, независимо от значения вязкости;

- определение кинематической вязкости (в единицах измерения – сантистоксы, mm2/c) при 0, 40 и 100 градусов Цельсия, метод ASTM D445 - стеклянный капиллярный вискозиметр;

- определение динамической вязкости при 150 градусах и нормированной скорости сдвига: 10 в -6 степени с-1, метод ASTM D46S3 - конический имитатор подшипника, CEC-L-36-A-90 (ASTM D4741 и ASTM D5481)

Абсолютное большинство современных масел, встречающихся на рынке Украины, это всесезонные (multigrade) загущенные (присадками) масла, которые обозначаются сочетанием зимнего и летнего ряда и разделяются знаком тире "-". Например, SAE 0W-40, 5W-30. Другие виды записи являются неверными, и использование аббревиатуры SAE для них недопустимо (например, SAE 0W/40 или SAE 5W30).

Численные значения классов вязкости являются условными. Число перед буквой «W» обозначает вязкость масла в диапазоне низких температур.

Летнее масло имеет достаточную вязкость, чтобы обеспечить надежное смазывание при высокой температуре, но оно слишком вязкое при низкой температуре, в результате чего при низкой температуре воздуха затрудняется пуск двигателя. Маловязкое зимнее масло облегчает холодный пуск двигателя при низкой температуре, но не обеспечивает удовлетворительное смазывание его деталей (гидродинамический режим смазки) при рабочих температурах двигателя. Именно по этим причинам (а также экономическим) наибольшее распространение сегодня получили всесезонные сорта масел, имеющие меньшую зависимость вязкости от температуры, то есть высокий индекс вязкости.

Для этого моторные масла загущают путем добавления соответствующих присадок в базовое масло при производстве, либо усложняют технологию переработки, очистки и получения базовых высокоиндексных масел.

Гидродинамический (жидкостный) и другие режимы смазки мы рассмотрим в продолжении. Я постараюсь объяснить о них без диаграммы Герси-Штрибека. Коснемся вопроса что лучше: минеральное/синтетическое и можно ли их смешивать. Сейчас же остановимся более подробно на маркировке моторного масла по SAE и перейдем к режимам смазки, и другим озвученным ранее вопросам, ну, например: а может ли автомобильный двигатель работать без моторного масла.

Ориентируясь на первое число, можно понять, как масло будет себя вести в зимнее время года. Например, масло 0W-40 обеспечивает легкий запуск при температуре минус 35 градусов ниже нуля Цельсия. А масло с вязкостью 20W-50 обеспечивает пуск при температуре до минус 15. Чем меньше первая цифра в обозначении вязкости, тем меньше вязкость масла при отрицательных температурах.

Производители масел часто приводят сравнение легкости запуска двигателя и скорости достижения маслом удаленных точек смазывания при разных степенях вязкости применяемых масел. Подобные аргументы позволяют убедить потребителей в необходимости применения новых высококачественных продуктов с улучшенными низкотемпературными свойствами. Потому что в первые секунды работы двигателя, при недостаточном поступлении масла к удаленным точкам смазывания, проявляется наиболее сильное изнашивание в режиме «масляного голодания».

Второе число обозначает вязкость при рабочих температурах двигателя (100, 150 градусов Цельсия) и высокоскоростном сдвиге. Этим числом руководствуются при выборе масла в соответствии с рекомендациями производителя, техническим состоянием двигателя и условиями эксплуатации. Ранее, еще 15…10 лет назад, считалось, что чем «жестче» условия эксплуатации автомобиля (например – раллийные гонки) и выше нагрузка на двигатель, тем более вязкое масло надо приобретать, например SAE 10W-60. Сейчас это утверждение ошибочно, поскольку изменилась требования машинопроизводителей. И вторая цифра в маркировке 40 и даже 30 вместо 60 вполне удовлетворит требования профессионалов и любителей спортивной езды.

Еще ранее инженеры и мотористы пользовались классификацией масел по кинематической вязкости при 0 и 100 градусов Цельсия, - ГОСТ 17479.1, но о ней необходимо забыть уже 20 лет, как об устаревшей.

В первый день июня 2001 года прекращено одновременное действие двух спецификаций "SAE J300 APR97". С этого момента спецификация J300 DEC99 полностью вступила в свои права. А сейчас действует спецификация JAN 2015.

Изменения коснулись не только лимитов вязкости проворачивания, определяемой на "имитаторе холодного пуска" CCS (Cold Cranking Simulator), но и требований к динамической вязкости, ее стабильности при высоких температурах - 150 градусов, высоких нагрузках, и оборотах двигателя.

Почему? Согласно спецификации 99-года, температура при которой проводят измерение вязкости «холодного» проворачивания, понижена на 5 градусов, а предельные значения вязкости проворачивания значительно увеличены для всех W-степеней.

Новые предельные значения вязкости выбирались не случайно. Ранее для производства моторных масел 10W-, 15W-, 20W-, 25W-XX чаще всего применяли базовые масла с индексами вязкости менее 120 единиц. Предельные значения динамической вязкости в новой спецификации для этих категорий снижены в два раза, по сравнению с прежними. При производстве всесезонных моторных масел 0W-, 5W-XX, все большее применение находят синтетические и высокоочищенные гидрокрекинговые базовые масла с высокими индексами вязкости (от 140 и выше). Низкотемпературные вязкости таких масел каждый раз снижаются более, чем в два раза при понижении температуры измерения с шагом 5 градусов. Предельные значения для этих степеней увеличены в два раза.

Обратите внимание, дорогие читатели, на понятие Индекса Вязкости моторного масла.

Он вам пригодится, что понять какое масло нужно выбрать: минеральное или синтетическое.

Индекс вязкости (цитирую из wiki), (ИВ) - это относительная величина, показывающая степень изменения вязкости масла в зависимости от температуры в градусах Цельсия и определяющая пологость кривой кинематической вязкости от температуры. Необходимо иметь в виду, что чем выше значение ИВ, тем более пологая характеристика зависимости вязкости от температуры, другими словами: чем выше численное значение индекса вязкости, тем меньше вязкость масла зависит от температуры.

Масло с более высоким индексом вязкости имеет лучшую текучесть при низкой температуре (запуск холодного двигателя) и более высокую вязкость при рабочей температуре двигателя. Высокий индекс вязкости необходим для всесезонных масел.

Ограничения по максимальной вязкости проворачивания включены в набор требований стандарта SAE J300 не случайно. Производители двигателей получали информацию о температурах, при которых динамическая вязкость масел различных степеней достигает значений 3250 - 6000 мПа∙с, при этом диапазон вязкостей обусловлен различием температур испытаний от минус 30 до минус 5 градусов, что существенно влияет на мощность аккумуляторной батареи и воспламеняемость топлива). По результатам прежних испытаний на полноразмерных двигателях было установлено, что при таких вязкостях и соответствующих температурах еще возможно проворачивание коленчатого вала стартером со скоростью, обеспечивающей успешный запуск двигателя.

В отличие от двигателей, которые использовались при определении прежних лимитов, современные двигатели демонстрируют успешный запуск при более высоких значениях вязкости и при более низких температурах.

Поэтому изменения в редакции SAE JAN 2015 года касательно требований к вязкости при холодном запуске – не произошли. Редакция 15 года коснулась требований к высокотемпературной вязкости при высокой нагрузке и оборотах двигателя.

Вот именно тут надо уделить внимание понятию - гидродинамический режим смазки!

Всего этих режимов 4-ре, но для вас будут интересны два из них: жидкостный и граничный. Поскольку режим трения без смазочного материала в двигателе бывает, но категорически не желателен!

Кто-нибудь из вас видел или чувствовал сам за рулем, как всплывает колесо на мокрой дороге и автомобиль теряет управляемость? А почему всплывает – правильно, скорость большая. Вот так и вал, когда всплывает в подшипнике под действием гидродинамических сил, находится в подвешенном состоянии и не касается поверхностей вкладышей – режим называется жидкостный (гидродинамический). Это основный режим смазки в котором должны находится все трущиеся детали двигателя, особенно те, которые лимитируют его пробег до ремонта. То есть поверхности деталей не должны касаться друг друга, - все «идет по маслу».

А когда нарушается этот режим? На старте, остановке, перегрузке, попадании посторонней твердой микрочастицы (фильтр забит) и…разрушении масляного слоя, вследствие внутренних (реологических) изменений в моторном масле.

А чтоб этого не происходило - надо использовать масла с улучшенными показателями высокотемпературной вязкости. Именно то, что требует редакция SAE JAN 2015 года.

А насколько улучшенными? Это зависит от зазоров в двигателе. В современном новом двигателе они настолько малы, что понадобились классы вязкости менее 20, то есть SAE 8, SAE 12 и SAE 16.

Но это не значит, что такие масла необходимо применять в двигателе, например, VW объемом 1.6, 92-года конструкции, которому по прежнему нужна 40-ка. Или 2.0 TDI 2005-года, которому, если он исправен, всегда нужна 30-ка.

А что будет, если этот идеальный режим резко «закончится»? Наступит следующий – граничный режим смазки, который полностью зависит от вторичных структур на поверхностях трения, то есть от смазывающих, а не вязкостных свойств моторного масла. Смазывающие свойства – противоизносные и противозадирные. Граничный режим – это больнее (и износом, и коэффициентом трения), чем гидродинамический, но не страшно, поскольку недолго.

А может ли двигатель работать без моторного масла, - допустим, поддон пробили? Может! В режиме граничной смазки, но не долго, желательно без нагрузки. Все на вторичных структурах (масляных пленках), которые образуются на поверхностях трения под действием соответствующих штатных присадок в моторном масле. Только не путайте, пожалуйста такие случаи с технологиями безразборного ремонта, и другими чудесами автомобильного маркетинга. Кстати, такие испытания (пробег автомобиля со слитым маслом) проводят тоже в целях маркетинга.

В 1997 году я видел двигатель магистрального тягача Volvo на масле Chevron, который прошел более 90 км без последствий. Потом еще несколько двигателей с аварийным пробегом под 1000 км, но это же были масла! Хоть на хлеб, хоть в пирожки!

Что же касается технологий безразборного ремонта двигателя (типа ХАДО) – видели, испытывали, могу написать!

Но вернемся к маркировке. После проведения необходимых испытаний, отдел Топлив и Смазочных материалов SAE утвердил новые значения лимитов температур и вязкостей.

Новые редакции стандарта не привели к пересмотру рекомендаций по выбору вязкости SAE в условиях эксплуатации двигателей при низких температурах.

Стандарт SAE J300 предназначен для классификации и маркировки моторных масел по вязкости, но не является прямой рекомендацией по температурным диапазонам применения. Рекомендации автопроизводителей основаны на реальных испытаниях конкретных моделей двигателей. Единый стандарт классификации и маркировки позволяет автопроизводителям давать рекомендации по выбору вязкости вне зависимости от торговой марки производителя или поставщика масла. А автопарк Украины настолько разный! Поэтому я рекомендую: для автовладельцев старых автомобилей (конструкции до 90-х) пользоваться старой системой классификации - SAE J300 APR97;

для автомобилей конструкций 90-х и до 2019 - SAE J300 DEC99;

ну и для счастливых обладателей современных конструкций (не года выпуска!) автомобиля - SAE JAN 2015.

Потому что для двигателей различной конструкции температурные диапазоны работоспособности масла данного класса по SAE существенно отличаются. Они зависят от мощности стартера, минимальной пусковой частоты вращения коленчатого вала, требуемой для пуска двигателя, от производительности масляного насоса, от гидравлического сопротивления маслоприемного тракта и многих других конструкционных, технологических и эксплуатационных факторов (техническое состояние автомобиля, качество бензина или дизтоплива и др.)

Масла одного класса вязкости при низких температурах (первая цифра), например SAE 5W-30 и 5W-50, будут иметь приблизительно одинаковые пусковые качества, но разную вязкость при высокой (рабочей) температуре двигателя. А масла одного класса вязкости по второй цифре после буквы «W» и тире, например, SAE 10W-40 и 15W-40, будут иметь приблизительно одинаковую вязкость при рабочих температурах двигателя. Есть одна тонкость – вязкость при экстремально больших температурах и скоростях вращения вала у масла с вязкостью SAE 10W-40 ниже, чем у масла с вязкостью 15W-40. Это вязкость показывает поведение масла в узлах трения двигателя с маленьким зазором - в подшипниках коленчатого и распределительного валов, кривошипно-шатунного механизма и т.д. Но это очень важно для двигателей специфической конструкции, к которым предъявляются особые требования производителей, что оговаривается в инструкции по эксплуатации, а также для двигателей новых автомобилей, находящихся на гарантии. И говорить о том, что второе масло «вязче» первого – некорректно. У первого, а это зависит от категории качества самого масла склонность к испарению может быть ниже, чем у второго.

Некорректно также заведомо, без уверенности, ассоциировать вязкость моторного масла с его основой: если у масла вязкость по SAE 5W-30, то оно синтетическое, или 20W-50, то это минеральное. Это НЕВЕРНО. Связь обязательно есть: вязкостно-температурная характеристика синтетического масла всегда лучше, чем у минерального, и в этом их основное преимущество.

НО из любой основы можно при изготовлении получить любые классы вязкости по SAE в зависимости от назначения масла.

Таким образом, степень вязкости SAE помогает определить диапазон температуры окружающей среды, при котором масло обеспечит нормальную работу двигателя - его проворачивание стартером, прокачивание масла насосом по смазочной системе при холодном пуске и надежное смазывание при повышенных температурах, длительной работе в режиме максимальных скоростей и нагрузок.

Поведем итог: какую вязкость выбрать? Ту, что написана в сервисной книжке с учетом температурных климатических условий вашего региона.

А если воспользоваться написанным в этой статье: то для большинства современных автомобилей (до 20 летнего возраста) с суточным пробегом не менее 50 км без гаражного хранения первой цифрой должно быть SAE 5W-, можно и 0W-, но это дороже, а зимы становятся теплее. Второй цифрой - 40. Все остальное – индивидуально.