В'язкість має значення

Моторне масло є життєво важливою частиною двигуна внутрішнього згоряння. Без масла двигун працювати не буде. Цей факт був зрозумілий вже на самому початку більш ніж столітньої історії автомобіля. Benz Patent Motor Car, який був представлений публіці в 1886 році і зазвичай вважається першим серійним автомобілем, оснащеним чотиритактним двигуном внутрішнього згоряння, використовував досить чужорідне мастило з крапельною подачею і чашку для мастила. Тим не менш, перший справжній масовий автомобіль, знаменитий Ford Model T, випущений в 1908 році, вже використовував систему бризкування, яка концептуально схожа на те, що ми бачимо в сучасних автомобілях, за винятком того, що і двигун, і трансмісія Model T використовували одне і те ж масло.

Оскільки двигун внутрішнього згоряння критично залежить від масла, потреба в стандартизації моторної оливи була швидко усвідомлена. Насправді вже в 1911 році була прийнята перша класифікація моторних масел новоствореним Товариством автомобільних інженерів (SAE). Ця перша класифікація SAE – так звана Специфікація No 26 – ранжувала моторні оливи на основі питомої ваги, спалаху та температури загоряння. Більш в'язкі масла були «важчими» і мали більш високі температури спалаху і вогню. З тих пір - навіть в наші дні - моторні масла все ще іноді позначаються за вагою, хоча в'язкість масла стала використовуватися як основа для всіх майбутніх специфікацій SAE з 1923 року. Остання специфікація SAE J300 була прийнята в 2015 році. 

Фактично, SAE J300 визначає чотири різні типи в'язкості: кінематичну в'язкість при 100oC (KV100), максимально допустиму в'язкість для холодного прокручування (CCS) і прокачування при низьких температурах, а також високотемпературну високозсувну (HTHS) в'язкість. Отже, можна твердо стверджувати, що в'язкість має значення!

В'язкість масла є одним з важливих кількісників його придатності для використання за призначенням. У двигуні, що стріляє, всі рухомі частини їздять на масляній плівці. Будь-який випадок незмащеного контакту метал-метал може мати катастрофічні наслідки, і його слід уникати за будь-яку ціну. Щоб масло виконувало свою роботу, його потрібно своєчасно доставляти в критичні точки змащення. Потік масла через масляні канали – або галереї – в двигуні багато в чому визначається його кінематичною в'язкістю, тому KV100 - це перше, на що слід звернути увагу при виборі відповідної оливи. Однак ви також повинні мати можливість завести свій автомобіль взимку. При зниженні температури моторне масло стає все більш в'язким, з часом перетворюючись в милоподібну тверду речовину. Якщо це станеться, ви не зможете провернути двигун. Ось чому SAE J300 також вказують CCS і низькотемпературну прокачування. Нарешті, при високому навантаженні двигуна температура масла в підшипниках може підвищуватися до 150-200оС, і в той же час дуже високі зсувні сили мають тенденцію подрібнювати молекули масла на більш дрібні фрагменти. В результаті в'язкість масла падає. Щоб гарантувати достатнє змащування підшипників у таких суворих умовах, SAE J300 визначає мінімальну в'язкість HTHS для кожного класу в'язкості.

Якщо в'язкість занадто висока, це погано: масло може не прибути вчасно і досить швидко відігнати тепло. Однак використання густішого, ніж рекомендовано, масла не смертельне: зрештою, це відбувається щоразу, коли ви запускаєте крутий двигун. Якщо в'язкість занадто низька, це набагато небезпечніше: масло буде витікати занадто легко і не створить достатнього тиску. Це призведе до швидкого зносу підшипників, задирів поршнів/кілець, заклинювання та інших критичних проблем. Ви також майже напевно побачите підвищену витрату масла.

Багато життєво важливих підсистем двигуна критично залежать від тиску масла, наприклад, гідравлічні натягувачі ланцюга ГРМ і системи зміни фаз газорозподілу (VVT). Якщо тиск масла низький, ці системи можуть почати працювати зі збоями: натягувачі ланцюга не зможуть створити достатній тиск, щоб усунути провисання ланцюга, а кулачкові фазери не зможуть нормально просунути кулачок вперед. Це зсуне фази газорозподілу двигуна, що, у свою чергу, вплине на продуктивність двигуна, економію палива та викиди, і в кінцевому підсумку ввімкне індикатор «Check Engine».

Звичайні базові оливи, що використовуються для виробництва картерних мастильних матеріалів, отримують шляхом дистиляції та очищення сирого мінерального масла. Легкі фракції дистиляту використовуються для виробництва різних видів палива, що є основним джерелом прибутку для нафтопереробних заводів, тоді як важкі донні фракції, які часто називають дном бочки, використовуються для виробництва мастильних матеріалів та деяких інших продуктів, включаючи асфальт і віск. Історично склалося так, що виробництво мастильних матеріалів розглядалося як дешевий кінець процесу переробки нафти, спроба перетворити побічний продукт виробництва палива в продукт з доданою вартістю. 

Історично склалося так, що найважливішими базовими оливами, що використовуються для створення картерівних мастильних матеріалів, були оливи з в'язкістю від 100 до 600 SUS (від 20 до 130 cSt при 100oF), а також найбільш в'язкий клас мінеральних базових олив з типовим діапазоном в'язкості від 1000 до 5000 SUS – так звані яскраві акції. Однак протягом останніх кількох десятиліть спостерігається стійке зниження обсягів виробництва та використання звичайних мінеральних базових олив (що складають API Group I), оскільки старий процес рафінування розчинників поступається позиціями більш сучасному, економічному та екологічно чистому процесу переробки, відомому як гідрорафінація. Остання використовується для виробництва базових олив API групи II і III. Одним з основних недоліків гідропереробки є те, що вона не може виробляти продукти з високою в'язкістю – не вище 200 SUS. Отже, сучасні мастила значною мірою залежать від полімерних загусників, які використовуються для заміни світлих запасів. Такі полімерні загусники мають ще одну корисну функцію – підвищують індекс в'язкості (VI) олії, звідси і їх загальна назва – поліпшувачі індексу в'язкості (VII).

Сьогодні майже всі автомобільні моторні оливи є «всесезонними», оскільки вони забезпечують належну продуктивність як у холодному, так і в жаркому кліматі. Всесезонні масла описуються двома цифрами, наприклад: SAE 10W-40. Перша цифра – 10, за якою слідує «W» – відноситься до низькотемпературних характеристик. По суті, це говорить про те, що в зимовий час ця олива поводиться як застаріла зимова марка SAE 10W: вона повинна дозволяти вам прокручувати двигун при -25oC, і вона не втратить свою здатність текти при температурі до -30oC. Друга цифра, 40, говорить про те, що влітку та сама нафта поводиться як застаріла моносортна SAE 40: вона має KV100 в діапазоні від 12,5 до 16,3 cSt і в'язкість HTHS мінімум 3,5 cP.

Чим більша різниця між другою і першою цифрами, тим ширше всесортність.  Найширші мультисорти сучасності, такі як 0W-40, 5W-50 і 10W-60, мають VI близько 180, хоча можна збільшити VI ще більше, до 200-220. Високий VI є бажаною особливістю, оскільки олива з високим VI демонструє менші зміни в'язкості залежно від температури. Однак фактичний спектр переваг залежить від того, як був досягнутий цей високий VI, оскільки існує багато підводних каменів.

Розглянемо на прикладі того, як полімерні підсилювачі VI використовуються на практиці.  Припустимо, що у вас є базова олива 150N API групи II з KV40 = 28 cSt і KV100 = 5,2 cSt (VI = 109). Якщо ви додасте 15% поліпшувача VI сополімеру олефіну (OCP), наприклад Paratone 8006, ви отримаєте полімерно-загущений продукт з KV40 = 83 cSt і KV100 = 12 cSt (VI = 140). Так, VI зріс зі 109 до 140. Як ви можете розшифрувати, що це полімерно-масляна суміш, а не безполімерна олія 600N? Перше, що потрібно перевірити, це температура спалаху: полімерні загущені оливи матимуть майже таку саму температуру спалаху, як і оригінальна базова олива (150N, FP 220oC), яка набагато нижча, ніж температура спалаху рівнов'язкої безполімерної базової оливи (600N, FP 270oC). Другою корисною перевіркою є втрати на випаровування: полімерні загущені оливи матимуть майже такі ж втрати на випаровування, як і вихідна базова олива (150 Н, 15 мас.% за Ноаком), що набагато вище, ніж втрати на випаровування рівнов'язкої безполімерної базової оливи (600 Н, 2 мас.% Noack).  

Висновок з цього прикладу полягає в тому, що полімерне згущення та підвищення VI слід використовувати з обережністю: хоча це допомагає легко налаштувати в'язкість продукту, деякі інші життєво важливі властивості можуть бути не помічені. Надмірне використання полімерів може поставити під загрозу стійкість до зсуву – ось чому SAE J300 визначає діапазон HTHS для кожного класу в'язкості, і чому комерційні VII присадки характеризуються індексом стійкості до зсуву (SSI). Іншими поширеними проблемами є окислювальне загущення та гелеутворення у відпрацьованих оліях.

Існують істотні відмінності між різними класами поліпшувачів VI з точки зору ефективності, стійкості до зсуву, розчинності і, звичайно ж, ціни. Наприклад, поліпшувачі олефін-сополімеру (OCP) VI в даний час стали «звичайним ванільним» типом технології вдосконалення VI, з основним акцентом на продукти, що розробляють цінність, в той час як поліпшувачі стиролу та поліалкілметакрилату (PAMA) VI все частіше використовуються в продуктах найвищого рівня. Цей факт доводить, що дані про в'язкість, про які йдеться в SAE J300, все ще не відображають всієї картини: ви можете зіставити всі чотири показники в'язкості і все одно побачити відмінності в продуктивності продукту. Це пов'язано з тим, що звичайна віскомедія нічого не говорить, наприклад, про хімічну стабільність VII молекул, їх можливу взаємодію з іншими інгредієнтами мастильних формул або неньютонівську реологічну поведінку полімервмісних мастильних плівок. Незважаючи на те, що теоретичне розуміння дії VII різних класів полімерів та їх впливу на трибологію мастильних матеріалів значно просунулося вперед, досвід залишається найкращим учителем у цій переважно емпіричній галузі.

В даний час для підвищення економії палива активно пропагуються більш рідкі масла.  Майте на увазі, однак, що в працюючому двигуні мастило картера завжди в якійсь мірі «розбавляється» паливом. Ступінь розведення палива залежить від типу двигуна і умов їзди. Міський рух із зупинками та виїздом – це один із несприятливих сценаріїв, про який більшість людей навіть не здогадуються. У гірших випадках масло може містити до 10-15% палива. Іншим несприятливим сценарієм є швидкісна їзда, наприклад, перегони серійних автомобілів, де багаті повітряно-паливні суміші навмисно використовуються для охолодження двигунів. В результаті розбавлення палива моторне масло легко знижується на один сорт: ви починаєте з масла 5W-30 і незабаром виявляєте, що воно розбавлене до рівня 5W-20. Масло також стає рідшим, коли двигун сильно навантажений і нагрівається, наприклад, під час буксирування причепа. Деякі виробники, як правило, включають більший запас безпеки у свої рецептури, встановлюючи цільовий показник v100 якраз посередині відповідного класу в'язкості та HTHS значно вище допустимого мінімального значення. Інші намагаються довести свою продукцію до краю, щоб максимізувати переваги економії палива. Наприклад, 5W-40 з KV100 = 14,5 cSt витримає 4-5% розведення палива, не впадаючи в клас. Аналогічний продукт 5W-40 «з підвищеною економією палива» з KV100 = 13,0 cSt відпаде вже при 2% розведенні палива. Таким чином, загалом, ви завжди можете безпечно перейти на один рівень вище того, що рекомендує виробник двигуна, але ніколи не використовуйте більш рідкі масла, ніж рекомендовано.

За винятком кількох флагманських продуктів, основні мастильні матеріали завжди розробляються за ціною. Але ми в BIZOL одержимі якістю – ми хочемо дати нашим клієнтам найкраще, на що ми здатні. Щоб зрозуміти різницю, подивіться на діаграму нижче, або – ще краще – спробуйте BIZOL.