Автомасла характеристики: Моторные масла: технические особенности

Моторные масла: технические особенности

Моторные масла – жидкие смазочные материалы, предназначенные для использования в автомобиле. Моторные масла играют важную роль в двигателе внутреннего сгорания (ДВС), обеспечивая его работоспособность и защиту.

То, что двигателю жизненно необходима смазка, понимал еще отец-основатель ДВС Этьенн Ленуар. Все попытки Ленуара и его последователей создать конструкцию, не предусматривающую использование масла и охлаждающей жидкости, окончились неудачей. И лишь после доработки конструкции ситуация изменилась.

Главная задача моторного масла – формировать защитную пленку на металлических поверхностях, снижая трение и предотвращая задиры соприкасающихся элементов.

Смазывание уменьшает износ и внутреннюю рабочую температуру. Отсутствие масла в двигателе приводит к заклиниванию поршней и выходу из строя мотора. Помимо смазывания у масла есть и другие задачи: удаление отработанных продуктов (стружка, элементы несгоревшего топлива) с рабочих поверхностей, охлаждение элементов двигателя, антикоррозионная защита.

Автомобильные масла работают в сложных условиях: механические и тепловые нагрузки, агрессивное воздействие кислорода и прочих газов, топлива, продуктов сгорания топлива. Таким образом, современное моторное масло должно соответствовать высоким требованиям качества и экологической безопасности.

Состав моторного масла

Современное моторное масло состоит из двух частей: основа (базовое масло) и пакет присадок. Вязкостно-температурные свойства масла зависят от химического состава основы. Присадки же выполняют функцию дополнения, усовершенствования показателей моторного масла. В частности, они отвечают за моющие, антикоррозионные свойства масла.

C помощью присадок можно повысить качество масла, даже если оно изначально произведено не из лучшей основы.

Базовая основа – составляет 70–80% моторного масла, оставшаяся часть – 20–30% — содержание присадок. Однако, со временем состав меняется. Продолжительная эксплуатация, тяжелые нагрузки разрушают присадки, и после того как масло вырабатывает свой рабочий ресурс на 50-60 %, его показатели начинают определяться составом основы.

Базовые масла (основа) могут быть:

• минеральными (производятся из очищенной нефти (продукт перегонки нефти))
• синтетическими (производятся благодаря каталитическому синтезу из газов)
• полусинтетическими (комбинация минеральных и синтетических (не менее 25 %!) базовых масел; такие базовые масла отличаются более высокими качествами чем минеральные, но уступают синтетическим)

Присадки

В моторном масле основа отвечает за смазывающие свойства, а специальный пакет присадок обеспечивает продукту прочие качества. Присадки могут быть модифицирующими (изменяют свойства масел), для защиты механизмов и для защиты самого масла. Их количество может достигать 20-25% от объема.

С течением времени присадки вырабатывают свой ресурс и разрушаются. Следует отметить, что современное моторное масло уже содержит весь пакет необходимых присадок, так что нежелательно в него заливать различные «чудодейственные» средства и добавки.

Типы присадок:

• Вязкостно-загущающие присадки. Позволяют маслу изменять макромолекулы полимеров исходя из температуры. Благодаря этому, при повышении температуры масло сохраняет вязкость, не становясь слишком жидким. Если масло содержит до 10% вязкостных присадок, то его называют загущенным.

  Варьируя количество вязкостно-загущающих присадок можно создавать масла, обладающие разной вязкостью. Чем больше вязкость, тем меньше нужно добавлять присадок. Современные научные разработки позволяют создавать моторные масла с небольшим вязкостным диапазоном. Это экономит топливо и снижает нагарообразование.

• Моющие присадки (детергенты, дисперсанты). Добавление моющих присадок в масло предотвращает лако- и нагарообразование в двигателе. Принцип действия таких присадок описан в самом названии: они смывают продукты окисления и выносят их к фильтру, дробя крупные частицы на мелкие. Детергенты действуют так же как и бытовые моющие средства, нейтрализуя кислоты и обеспечивая антикоррозионную защиту. Дисперсанты растворяют частицы грязи и в дальнейшем поддерживают их в растворенном виде, препятствуя образованию отложений в жиклерах, на внутренних поверхностях двигателя.

  Действие моющих присадок легко увидеть через некоторое время после заливки масла. Для этого нужно проверить состояние свежего масла – оно потемнеет. Но это не повод для паники, это лишь означает, что моющие добавки смыли грязь и поддерживают ее в мелкодисперсном состоянии, не давая ей осесть на двигателе.

• Противоизносные присадки. Снижают износ пар трения двигателя.  Противоизносные присадки  проникают в труднодоступные металлические поверхности, абсорбируются и вступают в химическую реакцию с металлом. При этом формируется специальная защитная пленка.
• Ингибиторы окисления (антиокислительные присадки). Присадки, защищающие само масло в процессе работы. Дело в том, что моторное масло работает в тяжелых условиях: высокие температуры, действие газов (кислород, азотные соединения), из-за чего происходит окисление масла, ослабление и разрушение присадок. Благодаря противоокислительным присадкам, окисление масел протекает медленнее. Присадки при нагревании вступают в химическую реакцию с окисляющими веществами.
• Ингибиторы коррозии и ржавления. Защищают внутренние поверхности двигателя от коррозии и окислительных процессов. Формируют защитную пленку и нейтрализуют кислоты. Принцип действия схож с противоокислительными присадками, но в отличии от них, защищают не само масло, а металлические поверхности двигателя.
• Антипенные присадки. Препятствуют образованию пены в процессе эксплуатации двигателя (движения коленвала вызывает пенообразование масла в картере). Пена образуется при взаимодействии масла с воздухом и сильно вредит смазывающим свойствам масла, приводя к интенсивному изнашиванию и ухудшению охлаждающих качеств. Содержание противопенных присадок в масле крайне мало, но они выполняют очень важную функцию, разрушая воздушные пузырьки.
• Модификаторы трения. Данный тип присадок снижает трение между соприкасающимися поверхностями для получения энергосберегающих масел. Известными модификаторами трения являются графит и дисульфид молибдена. Однако, в современных моторных маслах их использование затруднено в силу нерастворимости. В роли модификаторов трения применяются эфиры жирных кислот – они хорошо растворяются в маслах, имеют высокую адгезию к металлическим элементам, уменьшают трение.

Основные характеристики моторных масел

• Вязкость. Один из главных показателей масла. Моторное масло изменяет вязкость исходя из температуры – чем она ниже, тем гуще становится масло и, напротив, при повышении температуры вязкость должна уменьшаться. Качественное масло должно обеспечивать бесперебойную работу двигателя как в зимних условиях (холодный пуск двигателя), так и при высоких температурах. В первом случае масло не должно иметь низкую вязкость, чтобы стартер мог провернуть коленвал, а во втором масло должно иметь подходящую вязкость для формирования защитной масляной пленки между парами трения.
• Температура вспышки. Эта характеристика показывает степень испаряемости масла при работе. Качественные моторные масла имеют температуру вспышки выше 225°С. Если в масле присутствуют легкоиспаряющиеся фракции, то в процессе эксплуатации они быстро выгорят, что приведет к повышенному расходу.
• Температура застывания. Это температурная отметка, при которой масло утрачивает текучесть. Температура застывания указывает на момент повышения вязкости при отрицательных температурах, приводящий к тому, что масло отвердевает.
• Щелочное число (TBN). Указывает на общий показатель щелочности масла. Щелочными свойствами обладают моющие и диспергирующие присадки. Высокое щелочное число означает свойство масла препятствовать образованию отложений и нейтрализовывать агрессивное действие кислот, образующихся при работе двигателя. Щелочное число (TBN) моторных масел – 8-9 единиц, масел для дизельных двигателей – 11-14. В процессе эксплуатации показатель TBN снижается, нейтрализующие свойства сходят на нет.
• Кислотное число (TAN). Определяет содержание в моторном масле продуктов окисления. Чем этот показатель ниже – тем лучше для масла и двигателя. Увеличение кислотного числа указывает на окислительные процессы, что происходит из-за повышения содержания в составе кислых продуктов сгорания топлива. Это означает, что масло работает уже достаточно долго.

Классификация масел

Прошло уже более полутора веков с момента изобретения двигателя внутреннего сгорания. С тех пор увидели свет множество автомобилей, двигателей разного типа и смазочных материалов для них. Чтобы ориентироваться в мире моторных масел для различного типа двигателей, разработаны специальные системы классификации:

• API – Американский Институт Нефти (American Petroleum Institute),
• ILSAC – Международный комитет стандартизации и апробации моторных масел (International Lubricant Standardization and Approval Committee),
• ACEA – Ассоциация Производителей Автомобилей Европы  (Association des Cunstructeurs Europeens d’Automobiles).  

Согласно каждой из этих систем моторные масла делятся на ряды и категории в зависимости от уровня качества и предназначения. Перечень рядов и категорий установлен национальными и международными организациями нефтеперерабатывающих компаний и автопроизводителей.

Кроме того, действуют и требования (спецификации) автопроизводителей. Сегодня в мире есть одна официально признанная система классификации моторных масел — спецификация SAE J300. SAE – Society of Automotive Engineers (Общество Автомобильных инженеров). Классификация SAE делит моторные масла на 12 классов вязкости от 0W до 60: 6 зимних (0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W) и 6 летних (10, 20, 30, 40, 50, 60).

Вязкость масла определяется при условиях, приближенных к реальным. Литера W указывает на слово «winter» — «зимний», т.е. что масло подходит для эксплуатации при низкой температуре. Спецификация масел по SAE дает потребителю информацию о температуре застывания масла. «Зимний» индекс показывает температурную отметку, до которой можно применять масло.

• Летнее масло обозначается числом: SAE 20, 30, 40, 50, 60.
• Всесезонное масло –  комбинация летнего-зимнего вида (пример: SAE 5W30, SAE 10W40).

Высоковязкостные летние масла предназначены для работы в теплое время года. Они обеспечивают качественное смазывание двигателя в весенне-летний период, однако с наступлением холодов летние масла загустевают. Автолюбитель чувствует это, когда у него появляются проблемы с пуском двигателя.

Зимние масла имеют малую вязкость и рекомендованы для применения при отрицательных температурах. Но в летний период они не могут надежно защищать двигатель. По этой причине в настоящее время наиболее популярны среди автолюбителей всесезонные масла, пригодные для «летней» и «зимней» эксплуатации. Маркируются такие масла комбинацией зимнего и летнего ряда: 5W-30, 10W-40.

Кратко о…

…минеральном моторном масле

Является продуктом перегонки нефти. Наиболее дешевый вид моторных масел по сравнению с синтетическим и полусинтетическим маслами. Отличается меньшей химической стабильностью, низкой окислительной стойкостью и высокой испаряемостью из-за присутствия в составе молекул разной длины и структуры. Минеральное моторное масло имеет частый интервал замены и более короткий срок службы по сравнению с другими типами масел. К минеральному базовому маслу добавляются присадки, направленные на улучшение технических свойств минерального масла. Пакет присадок позволяет «подтянуть» общее качество масла, придав «минералке» моющие, антикоррозионные и противоизносные свойства.

В целом, минеральные масла проигрывают «синтетике» и «полусинтетике». Слабая окислительная стойкость и высокая испаряемость обуславливают небольшой срок службы «минералки».  Использовать минеральное масло рекомендовано на старых моделях автомобилей и автомобилях со сроком эксплуатации свыше 10 лет.

Примеры минеральных моторных масел: G-Energy Expert G 20W-50, Gazpromneft Super 10W-30 API SG/CD.

…синтетическом моторном масле

Синтетическое моторное масло производится из синтетических базовых масел, полученных благодаря химическому синтезу, глубокой переработке нефти или иным процессам, благодаря которым достигается высокая однородность молекул, что не может быть достигнуто в результате обычной переработки нефти. Это позволяет синтетическому маслу демонстрировать высокие результаты в тяжелых рабочих условиях.

Синтетические моторные масла отличаются высоким уровнем защиты при отрицательных температурах (безотказный холодный пуск двигателя) и высоким верхним пределом рабочих температур, малым расходом масла на угар, крайне низким нагароотложением. Помимо этого, «синтетика» имеет хорошие антиокислительные показатели, малую испаряемость. Синтетические моторные масла более текучи, чем минеральные, что позволяет им экономить топливо и лучше охлаждать двигатель.

Примеры синтетических моторных масел: Gazpromneft Premium 5W-40 API SM/CF, G-Energy F Synth 0W-40.

…полусинтетическом моторном масле

Полусинтетические моторные масла являются смесью минеральных и синтетических базовых масел. Процентное содержание «синтетики» может составлять 30-35%, хотя специальных требований относительно количественного содержания синтетических базовых масел нет.

По своим техническим показателям полусинтетическое масло находится между «минералкой» и «синтетикой», сочетая достаточно хорошие эксплуатационные свойства и доступную стоимость. Вязкостно-температурные свойства полусинтетических масел превосходят свойства минеральных масел, но уступают синтетическим маслам.

Тем не менее, полусинтетика хорошо себя проявляет в умеренных рабочих условиях и средних нагрузках. Использование полусинтетики в б/у автомобилях, автомобилях средней ценовой категории вполне оправдано.

Примеры полусинтетических моторных масел: Gazpromneft Premium 10W-40 API SL/CF, G-Energy Expert L 5W-30.

Технические характеристики моторных масел: свойства, вязкость

Вязкость моторного масла

Характеристика определяет способность жидкого материала сопротивляться течению за счет внутреннего трения. Значение рассчитывают при разных условиях, поэтому различают два ее типа:

• кинематическая вязкость показывает способность материала сопротивляться течению под действием силы тяжести. Измеряется в стоксах (Ст) или в квадратных миллиметрах в секунду (мм²/с). Чаще всего характеристику определяют для температур 40 и 100 °С;
• динамическая вязкость определяет отношение силы к скорости сдвига. Характеристика показывает способность моторного масла к течению при разных температурах, измеряется в сантипуазах (Сп) или в (Н·с/см²).

Индекс вязкости

Вязкость смазочных материалов меняется обратно пропорционально температуре. При нагревании масла показатель снижается, а при охлаждении – увеличивается. В продуктах разных марок изменение характеристики происходит с различной скоростью. Для измерения динамики существует специальное понятие – индекс вязкости. Чем выше его значение, тем меньше вязкостные свойства материала зависят от температуры. Продукты с большим индексом обеспечивают надежную защиту двигателя в разных климатических условиях. Масла с низким значением показателя эксплуатируются в узком диапазоне температур, так как при нагревании материалы утрачивают смазывающую способность, а при охлаждении быстро густеют.

Температура застывания

Показатель определяют в момент увеличения вязкости масла вплоть до потери текучести. В лабораторных условиях температурой застывания считают нижний предел, при котором жидкость в пробирке под наклоном 45 градусов не стекает в течение 1 минуты и остается неподвижной. Низкотемпературные характеристики масла напрямую зависят от состава, от качества компонентов. В продуктах переработки нефти вязкость возрастает при кристаллизации парафинов нормального строения. Поэтому основа проходит тщательную очистку или химическую модификацию для разветвления структуры компонентов и снижения температуры застывания. Синтетические масла имеют более однородный и прогнозируемый состав, что снижает порог кристаллизации и обеспечивает материалу стабильные свойства на морозе.

Температура вспышки

Величина этой характеристики зависит от вида и количества легколетучих фракций в составе масла. Температура вспышки косвенно указывает на потери масла на угар, испарение через вентиляционную систему картера. Параметр также позволяет оценить риск самопроизвольного воспламенения или взрыва материала при экстремальном нагревании.

Щелочное число (Total Base Number, TBN)

Общая щелочность моторного масла зависит от характеристик диспергирующих и моющих присадок, от антиокислительных свойств материала. Параметр указывает на стойкость продукта к окислению при высоких температурах и давлении в присутствии химически активных сред. От щелочного числа также зависит скорость образования отложений, величина межсервисного интервала. Характеристика определяется в (мг КОН/г). Значения щелочного числа варьируются в широком диапазоне. Выбор зависит от типа топлива, а точнее, от содержания серы, которая является главным окисляющим агентом. Например, в двигателях, работающих на мазуте, требуется высокая степень защиты, поэтому выбирают масло с показателем щелочности до 40 мг КОН/г. Моторы легковых авто работают с материалами 7–15 мг КОН/г.

Зольность

Сульфатная зола образуется при сгорании смазочного материала. Базовые масла очищаются и являются практически беззольными, но присадки вносят в состав нежелательные примеси, такие как магний, кальций, фосфор, цинк и другие. В процессе сгорания веществ на поверхности деталей двигателя образуются отложения, которые способствуют преждевременному воспламенению топливной смеси, то есть повышают детонацию. Зола также загрязняет каталитические нейтрализаторы выхлопных газов, сажевые фильтры. Соответственно, чем ниже показатель, тем меньше отложений на деталях.

Стандарты и спецификации

SAE J300

Классификация вязкостно-температурных свойств смазывающих материалов SAE J300 разработана американским обществом автомобильных инженеров Society of Automotive Engineers. Система делит масла на два типа: летние и зимние (маркировка W – winter). Для материалов, предназначенных для эксплуатации при низких температурах, дополнительно регламентируют предел прокачиваемости (тест MRV – Mini Rotary Viscometer) и проворачиваемости (CCS – Cold Cranking Simulator) коленвала. Для летних сортов определяют прочность на сдвиг при экстремальном нагревании (тест HTHS – High Temperature High Shear Rate). Класс вязкости по SAE J300 указывает на диапазон температур эксплуатации конкретной марки моторного масла. Обозначение всесезонных сортов сочетает два показателя: зимний и летний. Например, 5W-40.

Классы вязкости зимних моторных масел SAE J300

Классы вязкости летних моторных масел SAE J300

API

Классификация разработана специалистами American Petroleum Institute (API) совместно с American Society for Testing and Materials (ASTM) и Society of Automobile Engineers (SAE). Система опирается на эксплуатационные характеристики моторных масел и устанавливает стандарты для бензиновых, дизельных, двухтактных моторов и трансмиссий. По API смазочные материалы делятся на три категории:

• S – Service (spark ignition). Категория включает масла для бензиновых двигателей легковых автомобилей;
• C – Commercial (compression ignition). В нее включена продукция для дизельных двигателей;
• EC – Energy Conserving. Категория описывает энергосберегающие масла.

Классификация материалов внутри категорий начинается с буквы А (SA, SB, SC…) и далее в алфавитном порядке. Каждая последующая марка может использоваться в двигателях, для которых рекомендованы предыдущие. Категории с SA до SG являются устаревшими. Знак SH маркируют только в качестве дополнения к C. Начиная с SJ все категории действующие, а SN считается высшей на сегодняшний день. Марки масел с API CA до API CG-4 признаны устаревшими. Остальные категории действующие, высшей является API CK-4.

ILSAC

Классификация международного комитета по стандартизации и апробации моторных масел ILSAC (INTERNATIONAL LUBRICANTS STANDARDISATION AND APPROVAL COMMITTEE) – это результат совместного труда американской ассоциации American Automobile Manufacturers Association (AAMA) и японских специалистов Japan Automobile Manufacturers Association (JAMA). Стандарт устанавливает требования к смазочным материалам для бензиновых двигателей легковых автомобилей. Знак ILSAC получают масла с высокими показателями экономии топлива, энергосбережения, фильтруемости в условиях низких температур. Для продуктов характерна низкая испаряемость, стойкость к вспениванию и сдвигу, минимальное содержание фосфора. Категории моторных масел по ILSAC:

GF-1. Устаревшая спецификация с минимально допустимыми требованиями к качеству материалов для японских и американских автомобилей. Категория охватывает масла классов SAE: 0W-30, -40, -50, -60, 10W-30, -40, -50, -60 и 5W-30, -40, -50, -60. Спецификация соответствует EC-II и API SH;

GF-2. Соответствует EC-II и API SJ. Категория включает все марки масел GF-1 и дополнительно 0W-20, 5W-20. Строгие ограничения по содержанию фосфора, улучшенные низкотемпературные свойства, стойкость к пенообразованию и образованию отложений;

GF-3. Соответствует EC-II и API SL. Улучшены противоизносные и противоокислительные свойства, снижена испаряемость, увеличены показатели экономии топлива, стабильности вязкостных свойств. Спецификация устанавливает строгие требования к долгосрочным последствиям влияния моторных масел на системы нейтрализации выхлопных газов;

GF-4. Соответствует API SM. Масла проходят испытания на топливную экономичность. Категория включает классы вязкости SAE: 0W-20, 5W-20, 5W-30, 10W-30. Улучшены моющие и противоизносные свойства, снижен риск образования отложений. Содержание фосфора – не более 0,08 %;

GF-5. Соответствуют API SM с жесткими требованиями к совместимости к системам катализаторов, к топливной экономичности, к испаряемости, к стойкости к образованию отложений. Спецификация устанавливает параметры совместимости с эластомерами, защиту систем турбонаддува, возможность применения биотоплива.

Знание основных характеристик необходимо для грамотного выбора моторного масла.

Качества хорошего моторного масла

3 основных качества, которыми должно обладать хорошее моторное масло

 если вы ищете лучшее моторное масло в мире имеют. Каждое моторное масло требует определенных характеристик, которые определяют его долговечность и эффективность. Основными характеристиками, которые должны присутствовать в лучшем моторном масле мира , являются высокий индекс вязкости, термическая стабильность и устойчивость к окислению.

 высокий индекс вязкости

 вязкость e в основном представляет собой сопротивление жидкости течению. Для того, чтобы знать о качестве смазочного материала, очень важно учитывать его вязкость при различных температурах, для этого индекс вязкости был введен Э. Дином и Г. Дэвисом еще в 1929 году. Высокий индекс вязкости считается лучшая черта, которой должно обладать лучшее моторное масло в мире . К счастью, Atlantic lube содержит смазочные материалы с высоким коэффициентом вязкости, что делает их смазочные материалы лучшими из лучших в мире.

 Термостабильность

 Еще одной важной характеристикой, которой должно обладать хорошее моторное масло, является стабильность при высоких температурах. Так как смазочные материалы работают в той части вашего автомобиля или мотоцикла, где температура самая высокая, то они должны обладать характеристиками, не позволяющими им разрушаться при высокой температуре. Хорошее моторное масло должно обеспечивать запуск двигателя при низких температурах и быть стабильным при высоких температурах. В противном случае плохая термическая стабильность может привести к выходу из строя вашего двигателя из-за высокой вязкости. Atlantic lube это прекрасно знает и поэтому производимые там смазки способны противостоять высоким температурам и запускать двигатель даже при очень низких температурах. Короче говоря, смазочные материалы обладают термостабильностью, что делает их лучшими смазочными материалами в мире.

   Стабильность к окислению

 Другой важной характеристикой, которой должно обладать хорошее моторное масло, является стойкость к окислению. Под окислением понимают химическую реакцию, происходящую между смазочным маслом и кислородом. В случае более высокой степени окисления сокращается срок службы моторного масла или смазки. Не только это, но и высокая вязкость масла, что приводит к образованию шлама. Чтобы ваш двигатель работал должным образом, вы должны выбрать моторное масло, которое не будет смешиваться с кислородом. Таким образом, двигатель вашего автомобиля или мотоцикла останется невредимым, а смазка сможет работать длительное время. Смазочные материалы, приготовленные на Atlanticlube обладает хорошей устойчивостью к окислению, что продлевает срок службы вашего двигателя. Внутри двигателя все дело в химических реакциях. Чем больше вы пытаетесь избежать вредных химических реакций, тем больше пользы это принесет вам. Для определения устойчивости масла к окислению можно использовать несколько методов, и Atlanticlube знает их все. Чтобы получить лучшее моторное масло в мире вы должны выбрать масло Atlantic.

Как определить качество моторного масла

Хотя большинство моторных масел изготавливаются в соответствии с приемлемыми стандартами, их общие и специфические качества могут сильно различаться. Некачественные моторные масла часто выбрасываются на рынок по незнанию или жадности. К сожалению, для неосведомленного автовладельца качественное моторное масло и некачественное моторное масло будут выглядеть и ощущаться одинаково.

Двигатель и стендовые испытания

Двигатель всегда был конечной платформой для определения требуемого качества масла. Несмотря на то, что конструкция двигателя была изменена, чтобы соответствовать стандартам производительности, топливной эффективности и экологическим стандартам, двигатель по-прежнему остается высшим арбитром качества масла.

Однако использование двигателя для измерения качества масла при динамометрических испытаниях может оказаться дорогостоящим делом. Тем не менее, чтобы помочь контролировать затраты на гарантийное обслуживание, производители двигателей неизбежно должны разрабатывать и использовать тесты двигателей при определении качества масла, необходимого для конкретной конструкции или компонента.

Хотя это необходимо, создание воспроизводимых динамометрических испытаний двигателя может быть сложной задачей. Поскольку конструкция двигателя постепенно увеличивает мощность по сравнению с двигателями меньшего размера, сложность проведения воспроизводимых динамометрических испытаний возрастает еще быстрее. К счастью, когда уровень качества определен на динамометре или в полевых условиях, существует гораздо менее затратный подход, который можно применить для более точной оценки качества масла.

Это включает в себя использование лабораторных стендовых испытаний, предназначенных для тесной связи с испытаниями на динамометрическом стенде двигателя или полевым опытом. Эти стендовые испытания позволяют относительно недорого измерить качество масла. Однако ценность и значимость этого типа испытаний зависит от ряда факторов, включая определение конкретных потребностей двигателя, четкую и непротиворечивую информацию от двигателя либо в ходе динамометрических испытаний, либо в полевых условиях, а также понимание взаимосвязи между потребности двигателя и физические и/или химические свойства масла.

Свойства моторного масла

Для обслуживания двигателя масло должно обладать определенными физическими и химическими свойствами. Во время службы масла в двигателе возникает ряд рабочих нагрузок, которые отрицательно сказываются на долгосрочной способности масла функционировать на неизменно высоком уровне. Условия эксплуатации также могут сильно различаться в зависимости от окружающей среды и способа использования автомобиля. Следовательно, выбор моторного масла для удовлетворения конкретных потребностей и условий обслуживания требует знания нескольких важных свойств масла, включая вязкость.

Вязкость

Вязкость можно определить как сопротивление жидкости течению. Поскольку молекулы жидкости несколько притягиваются друг к другу, требуется энергия, чтобы разделить их и создать поток. Как правило, более крупные молекулы имеют большее притяжение между собой и более высокую вязкость. Энергия, необходимая для преодоления этого притяжения между молекулами и создания потока жидкости, можно рассматривать как форму трения.

Следовательно, вязкость можно определить как форму молекулярного трения. Из всех физических и химических свойств моторного масла его вязкость и вискозиметрические свойства во время использования часто считаются наиболее важными.

Вязкость и предотвращение износа

Это же молекулярное трение предотвращает слишком быструю утечку масла, когда две поверхности двигателя в относительном движении сближаются под давлением. Эта неспособность промежуточного масла быстро выйти и уровень его несжимаемости удерживает две поверхности друг от друга и предотвращает износ, процесс, который называется гидродинамической смазкой. Чем выше вязкость, тем больше притяжение молекул масла и выше защита от износа.

Класс вязкости

Вязкость смазочного материала всегда ассоциировалась с защитой от износа. В начале своей истории SAE признала вязкость важным фактором для работы двигателя и ввела систему классификации J300, которая устанавливает уровни вязкости для двигателей по ряду классов. Эти марки определяются уровнями вязкости в одной или двух температурных зонах. Сегодня классы устанавливаются для рабочих температур двигателя и для зимних температур, при которых масло влияет на запуск и прокачку.

Вязкость при рабочих условиях

В первые годы существования автомобильных двигателей масла формулировались просто и подчинялись уравнению Ньютона для вязкости: чем больше сила, используемая для движения жидкости (напряжение сдвига), тем быстрее она будет течь (скорость сдвига). По существу, отношение напряжения сдвига к скорости сдвига — вязкости — оставалось постоянным при всех скоростях сдвига. Все моторные масла того времени были практически одного сорта и не имели классификации SAE «W».

Это вискозиметрическое соотношение изменилось в 1940-х годах, когда было обнаружено, что добавление небольших количеств высокомолекулярных полимеров, по-видимому, придает маслу желаемые характеристики текучести как для низкотемпературного пуска, так и для работы двигателя при высоких температурах. Соответственно, эти полимерсодержащие масла относились по системе классификации вязкости SAE к всесезонным моторным маслам, так как удовлетворяли требованиям обеих вязкостно-температурных зон.

С тех пор большую популярность приобрели всесезонные масла (например, SAE 10W-40, 5W-30, 0W-20 и т. д.). Однако они больше не были ньютоновскими по характеристикам течения, поскольку было обнаружено, что вязкость уменьшается с увеличением скорости сдвига. Это считалось важным для смазывания двигателей, которые работали при высоких скоростях сдвига (измеряемых в миллионах обратных секунд), в отличие от нескольких сотен обратных секунд вискозиметров с низким сдвигом, которые тогда использовались для характеристики моторных масел.

Вискозиметрия при высокой скорости сдвига

Следовательно, возникла необходимость в разработке вискозиметра с высокой скоростью сдвига для измерения вязкости в двигателях при рабочих температурах. В начале 1980-х годов были разработаны прибор и методика, которые могли достигать нескольких миллионов обратных секунд при 150°C, а также обеспечивать высокие скорости сдвига при других температурах как на свежем, так и на отработанном моторном масле.

Прибор назывался вискозиметром с имитацией конического подшипника. Этот метод был принят ASTM как метод испытаний D4683 для использования при 150 ° C (и совсем недавно как D6616 для использования при 100 ° C). Это критическое стендовое испытание качества моторного масла стало известно как вязкость при высоких температурах и высокой скорости сдвига (HTHS). Затем были установлены минимальные пределы для различных марок в системе классификации вязкости SAE.

Интересно, что позже было показано, что этот инструмент был уникальным и в основном абсолютным в обеспечении измерений как крутящего момента сдвига, так и напряжения сдвига, а также скорости сдвига во время работы. Это единственный известный вискозиметр, способный это делать.

Вязкость и гелеобразование масла при низких температурах

Первоначально всесезонные моторные масла были представлены для снижения вязкости масла при низких температурах, чтобы облегчить запуск двигателя. Это важное преимущество сразу же стало очевидным, и с тех пор всесезонные масла стали самой популярной формой моторного масла во всем мире.

С облегчением пуска двигателя при низких температурах стала очевидной еще одна проблема — прокачиваемость масла. Это была значительно более серьезная проблема, так как недостаточная прокачиваемость масла могла вывести двигатель из строя. В ходе испытаний на динамометрическом стенде в холодильной камере было установлено, что существуют две формы проблемы прокачиваемости. Первый был просто связан с высокой вязкостью и назывался поведением с ограничением потока.

Второй был менее очевиден и связан с гелеобразованием масла при длительном цикле глубокого охлаждения. Это было названо «связыванием воздуха», так как масляный насос оказался связанным воздухом в результате вытягивания столба масла из поддона, и масло не заполнило эту пустоту, как показано на рис. 1.9.0005

Этих знаний и стендовых испытаний, которые изначально, казалось, предсказывали обе формы отказа, было недостаточно. Зимой 1979-80 годов в Су-Фолс, Южная Дакота, цикл охлаждения показал, что связывание воздуха может происходить при относительно мягких условиях охлаждения. За 24 часа было выведено из строя несколько двигателей, содержащих масло.

Цикл охлаждения привел к состоянию, при котором масло стало связанным с воздухом. Дорогостоящий инцидент выявил потребность в более чувствительных стендовых испытаниях, которые могли бы точно предсказать тенденцию отказов прокачиваемости из-за связывания воздуха.

Индекс гелеобразования

Связанное с воздухом моторное масло, вызвавшее аварии в Су-Фоллс, стало серьезным примером. Были разработаны новый прибор и методика стендовых испытаний для выявления любой склонности испытуемого масла к гелеобразованию. Этот метод, предусматривавший непрерывную низкоскоростную работу цилиндрического ротора в свободно окружающем статоре, был немедленно включен в спецификации моторного масла и позже стал стандартом ASTM D5133.

Это не только показало тенденцию масла к ограничению потока, но также определило степень гелеобразования, которое может произойти в измеренном диапазоне температур (обычно от минус 5 до минус 40 градусов C). Этот параметр был назван индексом гелеобразования. Сегодня спецификации моторных масел для всесезонных масел требуют максимального индекса гелеобразования 12.9.0005

Вязкость и поглощение энергии

Несмотря на то, что вязкость полезна для двигателя в предотвращении износа за счет гидродинамической смазки, она также имеет некоторые негативные аспекты, которые могут повлиять на эффективность работы двигателя. Молекулярное трение масла, разделяющее две поверхности в относительном движении, требует энергии для его преодоления. Это значительное количество энергии от двигателя в обмен на обеспечиваемую защиту от износа. Таким образом, тщательное определение вязкости масла имеет решающее значение для владельцев транспортных средств и для правительств, устанавливающих ограничения экономии топлива.

Снижение вязкости масла может быть важным шагом в уменьшении вязкого трения для повышения эффективности использования топлива. Интересно, что за последние несколько лет увеличилось количество автомобилей, работающих на моторных маслах с более низким уровнем вязкости, что заметно улучшило эффективность их двигателей.

Десять лет назад самыми низкими классами вязкости по SAE были масла SAE 0W-20 и 5W-20, при этом SAE 20 имело минимальную вязкость при высокой скорости сдвига 2,6 сантипуаз (сП) для имитации работы двигателя при 150 °C. На рис. моторные масла, продаваемые в Северной и Южной Америке, а также моторные масла SAE 5W-30.

Японские автопроизводители недавно призвали к еще более низким классам вязкости. Как следствие, SAE ввела три новых рабочих класса, обозначенных как SAE 16 (минимум 2,3 сП при 150°C), SAE 12 (минимум 2,0 сП при 150°C) и SAE 8 (минимум 1,7 сП при 150°C). Эти требования также показаны на рис. 2 для сравнения.

Ни одно из этих масел более низкого качества еще не поступило на рынок для анализа. Поскольку вязкость напрямую связана с количеством энергии, затрачиваемой двигателем на защиту от износа за счет гидродинамической смазки, можно было бы ожидать, что такое снижение вязкости будет иметь важные преимущества с точки зрения эффективности использования топлива, но только в двигателях, предназначенных для их использования.

Индекс топливной эффективности в зависимости от вязкости

Учитывая влияние вязкости масла на двигатель, была разработана методика расчета влияния моторных масел на эффективность использования топлива. Чтобы иметь смысл, значения вязкости должны были быть получены при высоких скоростях сдвига, связанных с работой в определенных частях двигателя.

Более ранняя работа с динамометром определила процент трения и рабочую температуру пяти основных мест смазки в поршневом газовом двигателе, ответственных почти за все потери эффективности. Эта информация использовалась для разработки параметра индекса эффективности вязкого топлива (V-FEI).

При этом значении, которое находится в диапазоне от 0 до 100, чем выше V-FEI данного моторного масла, тем меньше энергии теряется из-за вязкости и, следовательно, тем более экономичным является двигатель. Хотя различные конструкции двигателей могут иметь разные уровни трения в основных смазывающих зонах, использование этих данных о трении обеспечивает сравнительную ценность моторных масел.

На Рисунке 3 показано среднее значение моторных масел SAE 0W-20 и 5W-30 на рынках Северной и Южной Америки с 2008 по 2014 год. Для сравнения среднее значение V-FEI для SAE 0W-20 и 5W-30 в более раннем исследовании было 46 и 47 соответственно.

Как и ожидалось, было определено, что усредненные за год всесезонные масла SAE 0W-20 способствовали большей топливной экономичности двигателя, чем усредненные всесезонные масла SAE 5W-30 из-за различий в вязкости, показанных на рисунке 2. За исключением 2012 г., увеличение V-FEI эквивалентно почти 7-8 процентам эффективности использования топлива в зависимости от вязкости.

Снижение средней топливной эффективности моторных масел SAE 0W-20, собранных в 2012 году, может свидетельствовать о разработке рецептур, отвечающих опасениям автопроизводителей, что преимущества гидродинамической смазки не будут потеряны при усилиях по повышению эффективности использования топлива.

Испаряемость моторного масла

Еще один аспект, который следует учитывать при снижении вязкости в рецептурах моторных масел, заключается в том, что такое снижение чаще всего достигается за счет использования базовых масел с более высокой летучестью. Испаряющееся масло снижает количество смазочного материала, используемого в двигателе, и может содержать компоненты, загрязняющие катализатор выхлопных газов, что негативно влияет на способность катализатора уменьшать смог. Масло, оставшееся после потери более летучих компонентов, также будет более вязким и энергоемким.

На рис. 4 показана характеристика двух наиболее летучих классификаций всесезонных моторных масел. Также показана максимальная летучесть, установленная Международным комитетом по стандартизации и одобрению смазочных материалов (ILSAC).

В последние несколько лет стало очевидным, что классификационные категории SAE 0W-20 и 5W-30 были разработаны с достаточным запасом для соответствия спецификации ILSAC по летучести. Эти результаты показывают, что контроль испаряемости может быть менее требовательным при использовании всесезонных масел, недавно классифицированных как SAE 0W-16, 0W-12 и 0W-8.

Выбросы и летучесть фосфора

Растворимые соединения фосфора, такие как диалкилдитиофосфат цинка (ZDDP), уже много лет используются в рецептурах моторных масел. Эти противоизносные и антиокислительные соединения оказали значительную поддержку конструкции современных двигателей.

В середине 1900-х поршневой двигатель был признан основным источником загрязнения воздуха. Несгоревшие или частично сгоревшие углеводороды из выхлопных газов двигателей под действием солнечного света превращались в ядовитые газообразные углеводороды, из-за которых в некоторых крупных городах образовался смог.

Как следствие, в 1970-х годах были разработаны каталитические нейтрализаторы выхлопных газов для обработки выхлопных газов и преобразования их в углекислый газ и воду. К сожалению, спустя годы после разработки каталитического нейтрализатора было обнаружено, что некоторые элементы в бензине или моторном масле, включая фосфор и серу, деактивируют катализатор, покрывая его. В конечном итоге это привело к ограничениям количества этих химикатов в моторном масле и топливе.

Индекс выбросов фосфора

Тест Селби-Ноака на испаряемость был разработан в начале 1990-х годов как лучший и более безопасный подход к определению летучести моторного масла. Он собрал летучий компонент теста на летучесть для дальнейшего анализа, что помогло обнаружить фосфор и серу. При первом анализе летучих веществ, собранных в ходе стендовых испытаний, было очевидно, что фосфорсодержащие присадки в моторных маслах также производят фосфор в результате разложения присадок.

На основе этих результатов был разработан параметр, связанный с количеством фосфора, высвобождаемого во время испытания, который называется индексом выброса фосфора (PEI).

На рис. 5 показано изменение PEI за последние восемь лет. Очевидно, что был достигнут значительный прогресс в снижении разложения фосфора и/или летучести этих двух всесезонных классификаций SAE. Снижение PEI до 6-10 миллиграммов на литр моторного масла является значительным изменением в защите каталитического нейтрализатора от воздействия фосфора.

В связи с тенденцией к использованию двигателей меньшего размера, экономичных двигателей с турбонаддувом, генерирующих более высокие температуры во время работы, при разработке смазочных материалов, наиболее подходящих для двигателя и окружающей среды, было бы полезно провести стендовые испытания, которые могут выявить тенденцию к выбросу фосфора в составе масла.

Содержание фосфора и летучесть

Насколько сильно фосфор в моторном масле влияет на количество фосфора, улетучивающегося во время работы двигателя, является важным вопросом, влияющим на выбор присадок в рецептуре масла. На рис. 6 показано содержание фосфора в ряде моторных масел SAE 0W-20 и 5W-30 в зависимости от полученных значений PEI.

Данные показывают, что летучесть фосфора, определяемая тестом Селби-Ноака, практически не связана с количеством фосфора, присутствующего в масле в качестве присадки. Отсутствие корреляции между содержанием фосфора в моторном масле и количеством испарившегося фосфора проявляется в низких значениях коэффициента корреляции (R²).

Этот параметр был бы близок к единице, если бы концентрация фосфора влияла на его летучесть. Как показано на рисунке 6, значения, полученные на основе данных, намного ниже: R² составляет 0,05 для моторных масел SAE 0W-20 и 0,17 для моторных масел SAE 5W-30.

Данные PEI в основном сгруппированы по значениям от 2 миллиграммов на литр до примерно 30 миллиграммов на литр.