Вязкость имеет значение

Моторное масло является жизненно важной частью двигателя внутреннего сгорания. Без масла двигатель работать не будет. Этот факт был понят уже в самом начале более чем вековой истории автомобиля. Benz Patent Motor Car, который был представлен публике в 1886 году и обычно считается первым серийным автомобилем, оснащенным четырехтактным двигателем внутреннего сгорания, использовал довольно инопланетную смазку с капельной подачей и смазочный стакан. Тем не менее, первый по-настоящему серийный автомобиль, знаменитый Ford Model T, выпущенный в 1908 году, уже использовал систему разбрызгивания масла, которая концептуально похожа на то, что мы видим в современных автомобилях, за исключением того, что и двигатель, и трансмиссия Model T использовали одно и то же масло.

Поскольку двигатель внутреннего сгорания так сильно зависит от масла, необходимость стандартизации моторного масла была быстро осознана. На самом деле, уже в 1911 году была принята первая классификация моторных масел недавно созданным Обществом автомобильных инженеров (SAE). Первая классификация SAE – так называемая Спецификация No 26 – классифицировала моторные масла на основе удельного веса, температуры вспышки и воспламенения. Более вязкие масла были «тяжелее» и имели более высокую температуру вспышки и воспламенения. С тех пор, даже по сей день, моторные масла по-прежнему иногда обозначаются по весу, хотя вязкость масла стала использоваться в качестве основы для всех будущих спецификаций SAE с 1923 года. Последняя спецификация SAE J300 была принята в 2015 году. 

Фактически, SAE J300 определяет четыре различных типа вязкости: кинематическая вязкость при 100 °C (KV100), максимально допустимая вязкость при холодном пуске (CCS) и прокачиваемость при низких температурах, а также вязкость при высоких температурах сдвига (HTHS). Следовательно, можно твердо утверждать, что вязкость имеет значение!

Вязкость масла является одним из важных количественных показателей его пригодности для использования по назначению. В работающем двигателе все движущиеся части ездят по масляной пленке. Любой случай контакта металла с металлом без смазки может иметь катастрофические последствия, и его следует избегать любой ценой. Чтобы масло выполняло свою работу, оно должно своевременно доставляться в критические точки смазки. Поток масла по масляным каналам (или галереям) в двигателе во многом определяется его кинематической вязкостью, поэтому KV100 — это первое, на что следует обратить внимание при выборе правильного масла. Тем не менее, вы также должны иметь возможность завести свой автомобиль зимой. При понижении температуры моторное масло становится все более вязким, в конечном итоге превращаясь в мылоподобное твердое вещество. Если это произойдет, вы не сможете провернуть двигатель. Вот почему в SAE J300 также указаны CCS и низкотемпературная прокачиваемость. Наконец, при высокой нагрузке на двигатель температура масла в подшипниках может повышаться до 150-200oC, и в то же время очень высокие силы сдвига имеют тенденцию дробить молекулы масла на более мелкие фрагменты. В результате вязкость масла падает. Чтобы гарантировать надлежащую смазку подшипников в таких суровых условиях, стандарт SAE J300 определяет минимальную вязкость HTHS для каждого класса вязкости.

Если вязкость слишком высокая, это не очень хорошо: масло может не прийти вовремя и достаточно быстро отвести тепло. Тем не менее, использование более густого, чем рекомендуется, масла не смертельно: в конце концов, это происходит каждый раз, когда вы запускаете холодный двигатель. Если вязкость слишком низкая, это гораздо опаснее: масло будет слишком легко стекать и не создаст достаточного давления. Это приведет к быстрому износу подшипников, задирам поршня/кольца, заклиниванию и другим критическим проблемам. Вы также почти наверняка увидите повышенный расход масла.

Многие жизненно важные подсистемы двигателя критически зависят от давления масла, например, гидравлические натяжители цепи ГРМ и системы изменения фаз газораспределения (VVT). Если давление масла низкое, эти системы могут начать работать со сбоями: натяжители цепи не смогут создать достаточное давление для устранения провисания цепи, а фазеры кулачка не смогут нормально продвинуть кулачок. Это сместит фазы газораспределения двигателя, что, в свою очередь, повлияет на производительность двигателя, экономию топлива и выбросы, и в конечном итоге загорится лампочка «Check Engine».

Обычные базовые масла, используемые для производства картерных смазочных материалов, получают путем дистилляции и очистки сырого минерального масла. Легкие дистиллятные фракции используются для производства различных видов топлива, составляющих основной источник прибыли для нефтеперерабатывающих заводов, в то время как тяжелые донные фракции, часто называемые дном бочки, используются для производства смазочных материалов и некоторых других продуктов, включая асфальт и воск. Исторически сложилось так, что производство смазочных материалов рассматривалось как дешевая часть процесса нефтепереработки, пытающаяся превратить побочный продукт производства топлива в продукт с добавленной стоимостью. 

Исторически сложилось так, что наиболее важными базовыми маслами, используемыми для приготовления картерных смазочных материалов, были масла с вязкостью от 100 до 600 SUS (от 20 до 130 сСт при 100 °F), а также наиболее вязкий класс минеральных базовых масел с типичным диапазоном вязкости от 1000 до 5000 SUS – Так называемые светлые акции. Тем не менее, в течение последних нескольких десятилетий наблюдается устойчивое снижение объемов производства и использования традиционных минеральных базовых масел (составляющих группу API I), поскольку старый процесс рафинирования растворителем уступает место более современному, экономичному и экологически чистому процессу рафинирования, известному как гидрорафинирование. Последнее используется для производства базовых масел II и III групп API. Одним из основных недостатков гидрорафинирования является то, что он не может производить продукты с высокой вязкостью – не выше 200 SUS. Таким образом, современные смазочные материалы в значительной степени зависят от полимерных загустителей, используемых для замены светлых запасов. У таких полимерных загустителей есть и другая полезная функция – они повышают индекс вязкости (VI) масла, отсюда и их общее название – улучшители индекса вязкости (VII).

Сегодня почти все автомобильные моторные масла являются «всесезонными», поскольку они обеспечивают достаточные эксплуатационные характеристики как в холодном, так и в жарком климате. Всесезонные масла описываются двумя цифрами, например: SAE 10W-40. Первая цифра – 10, за которой следует «W» – относится к низкотемпературным характеристикам. По сути, это говорит о том, что в зимнее время это масло ведет себя как устаревший зимний сорт SAE 10W: оно должно позволять вам проворачивать двигатель при -25 °C, и оно не потеряет своей способности течь при температуре до -30 °C. Вторая цифра, 40, говорит о том, что летом то же самое масло ведет себя как устаревшее моносезонное масло SAE 40: оно имеет KV100 в диапазоне от 12,5 до 16,3 сСт и вязкость HTHS не менее 3,5 сП.

Чем больше разница между второй и первой цифрами, тем шире всесезонность.  Самые широкие современные мультисезонные модели, такие как 0W-40, 5W-50 и 10W-60, имеют VI около 180, хотя можно повысить VI еще больше, до 200-220. Высокий VI является приятной особенностью, поскольку масло с высоким VI показывает меньшие колебания вязкости в зависимости от температуры. Однако фактический спектр преимуществ зависит от того, как был достигнут этот высокий VI, так как существует множество подводных камней.

Рассмотрим пример применения полимерных бустеров VI на практике.  Предположим, что у вас есть базовое масло 150N API Group II с KV40 = 28 сСт и KV100 = 5,2 сСт (VI = 109). Если вы добавите 15% сополимера олефинов (OCP) типа улучшителя VI, такого как Paratone 8006, вы получите загущенный полимером продукт с KV40 = 83 сСт и KV100 = 12 сСт (VI = 140). Так, VI увеличился со 109 до 140. Как вы можете расшифровать, что это смесь полимера и масла, а не масло 600N без полимеров? Первое, что нужно проверить, это температура вспышки: сгущенные полимером масла будут иметь почти такую же температуру вспышки, как и исходное базовое масло (150N, FP 220oC), что намного ниже, чем температура вспышки равновязкого базового масла, не содержащего полимеров (600N, FP 270oC). Второй полезный критерий — это потери на испарение: масла, сгущенные полимерами, будут демонстрировать почти такие же потери на испарение, как и исходное базовое масло (150 Н, 15 мас.% по Ноаку), что намного выше, чем потери на испарение равновязкого базового масла, не содержащего полимеров (600 Н, 2 мас.% по Ноаку).  

Вывод из этого примера заключается в том, что загущение полимера и бустирование VI следует использовать с осторожностью: хотя это помогает легко настроить вискозиметрию продукта, некоторые другие жизненно важные свойства могут быть упущены из виду. Чрезмерное использование полимеров может поставить под угрозу устойчивость к сдвигу – именно поэтому SAE J300 определяет диапазон HTHS для каждого класса вязкости, а коммерческие присадки VII характеризуются индексом устойчивости к сдвигу (SSI). Другими распространенными проблемами являются окислительное загущение и гелеобразование в отработанных маслах.

Существуют существенные различия между различными классами улучшителей VI с точки зрения эффективности, устойчивости к сдвигу, растворимости и, конечно же, цены. Например, улучшители VI на основе олефин-сополимера (OCP) в настоящее время стали «простым» типом технологии улучшения VI, с основным акцентом на продукты, ориентированные на ценность, в то время как улучшители VI на основе стирола и полиалкилметакрилата (PAMA) все чаще используются в продуктах высшего уровня. Этот факт доказывает, что данные о вязкости, на которые ссылается SAE J300, все еще не отражают полной картины: вы можете сопоставить все четыре показания вязкости и все равно увидеть различия в характеристиках продукта. Это связано с тем, что традиционная вискозиметрия ничего не говорит, например, о химической стабильности молекул VII, их возможном взаимодействии с другими ингредиентами смазочных составов или неньютоновском реологическом поведении полимерсодержащих смазочных пленок. Несмотря на то, что теоретическое понимание VII действия различных классов полимеров и их влияния на трибологию смазочных материалов значительно продвинулось, опыт остается лучшим учителем в этой, в значительной степени, эмпирической области.

В настоящее время активно продвигаются более жидкие масла для повышения топливной экономичности.  Однако имейте в виду, что в работающем двигателе смазка картера всегда в той или иной степени «разбавлена» топливом. Степень разбавления топлива зависит от типа двигателя и условий движения. Пробки в городе с остановками — это один из неблагоприятных сценариев, о котором большинство людей даже не подозревают. В худшем случае масло может содержать до 10-15% топлива. Еще одним неблагоприятным сценарием является скоростная езда, например, гонки на серийных автомобилях, где богатые воздушно-топливные смеси намеренно используются для охлаждения двигателей. В результате разбавления топлива моторное масло легко понижается на один градус: вы начинаете с масла 5W-30 и вскоре обнаруживаете, что оно разбавлено до уровня 5W-20. Масло также разбавляется, когда двигатель сильно нагружен и нагревается, например, при буксировке прицепа. Некоторые производители, как правило, включают в свои рецептуры больший безопасный запас, устанавливая целевой показатель v100 как раз посередине соответствующего класса вязкости, а HTHS значительно выше допустимого минимального значения. Другие пытаются довести свою продукцию до предела, чтобы максимизировать преимущества экономии топлива. Например, 5W-40 с KV100 = 14,5 сСт выдержит разбавление топлива на 4-5%, не сбиваясь с уклона. Аналогичный продукт 5W-40 с «улучшенной топливной экономичностью» с KV100 = 13,0 сСт будет падать уже при 2%-ном разбавлении топлива. Следовательно, в целом, вы всегда можете быть уверены в том, что можете перейти на один градус выше того, что рекомендует производитель двигателя, но никогда не используйте более жидкие масла, чем рекомендуется.

За исключением нескольких флагманских продуктов, основные смазочные материалы всегда разрабатываются с учетом стоимости. Но мы в BIZOL одержимы качеством – мы хотим предложить нашим клиентам лучшее, что мы можем. Чтобы понять разницу, взгляните на схему ниже или, что еще лучше, попробуйте BIZOL.