Навіщо потрібні модифікатори в'язкості для автомобільних моторних масел

04.08.2016

Що таке в'язкість?

В'язкість це опір текучого середовища до потоку. Коли один шар рідини ковзає через інший шар тієї ж рідини, завжди є рівень опору між цими потоками. Коли величина цього опору висока, то рідина вважається такою, що має високу в'язкість і як наслідок тече товстим шаром, наприклад як мед. Коли опір потоку рідини є низьким, то рідина вважається такою, що має низьку в'язкість і її шар дуже тонкий, наприклад як оливкова олія.

Оскільки в'язкість багатьох рідин змінюється при зміні температури, важливо враховувати, що рідина повинна мати відповідну в'язкість при різних температурах.

В'язкість для моторної олії.

Моторні масла повинні змащувати компоненти двигуна в усіх межах нормального робочого діапазону температури двигуна. Низькі температури, як правило, потовщують потік моторного масла, що робить більш важким його перекачування. Якщо мастило буде повільно добиратися до основних деталей двигуна, масляне голодування призведе до надмірного зносу. Крім того, густа олія зробить пуск холодного двигуна утрудненим через додатковий опір.

З іншого боку, тепло має тенденцію робити масляну плівку тонкою, а в крайніх випадках може зменшити захисні здібності олії. Це може призвести до передчасного зносу та механічного пошкодження поршневих кілець та стінок циліндра. Хитрість полягає у знаходженні правильного балансу в'язкості, товщини масляної плівки та плинності. Домогтися цього здатні модифікатори в'язкості розчину. Модифікатори в'язкості є полімерами, спеціально розробленими, щоб допомогти регулювати в'язкість мастильного матеріалу в певному діапазоні температур. Вони допомагають мастилу забезпечувати адекватний захист та плинність.

Відео допоможе проілюструвати три ключові моменти в'язкості:
- Рідка олія тече швидше, ніж густа олія.
- Низькі температури загущають олії та уповільнюють їх плинність, порівняно з вищими температурами.
- Модифікатор в'язкості масла може вплинути на його продуктивність.

Регулювання в'язкості полімерами.

Два різних моторних масла: олія високої продуктивності (з модифікаторами) та олія низького рівня продуктивності. Обидва класи в'язкості SAE 10W-40. Хімічна склянка на лівому куті показує в'язкість моторної олії високої продуктивності при кімнатній температурі. У другій хімічній склянці зліва показано, як моторне масло з низькою продуктивністю може загуснути під час використання. Третя хімічна склянка показує, як олія з високою продуктивністю зберігає плинність при -30 °C.

Вивчаючи хімію в школі пам'ятаємо, що полімер являє собою велику молекулу, яка складається з безлічі субодиниць, що повторюються, відомих як мономери. Природні полімери, такі як бурштин, гума, шовк, дерево є частиною нашого повсякденного життя. Штучно зроблені полімери вперше прийшли у загальне використання у 1930-ті роки. Синтетичний каучук і нейлонові панчохи :) До 1960, користь від додавання вуглецю на основі полімерів, який часто застосовують як модифікатори в'язкості, стала визнаною повсюдно.

Протягом усього цього періоду, Lubrizol є лідером у галузі хімії полімерів для моторної олії легкових та вантажних автомобілів. Сьогодні модифікатори в'язкості (VMS) є ключовими компонентами в більшості моторних масел. Їхня роль полягає у наданні допомоги мастила, досягнення необхідної в'язкості та головним чином позитивно впливати на зміни в'язкості змащувальної речовини при впливі температурних коливань.

Класи в'язкості

Простіше кажучи, клас в'язкості означає товщину плівки олії. Є два типи класу в'язкості: сезонне та всесезонне. Олії, такі як SAE 30, призначені для забезпечення захисту двигуна при нормальній робочій температурі, але у них буде відсутня плинність при низьких температурах.

Всесезонні олії зазвичай використовують модифікатори в'язкості для досягнення більшої гнучкості. Вони ідентифіковано діапазон в'язкості, наприклад SAE 10W-30. Літера "W" означає, що олія була випробувана для використання як в холодну погоду, так і за нормальної експлуатації двигуна температурах.

Для більш глибокого розуміння класів в'язкості корисно використовувати приклади. Оскільки всесезонні олії є стандартом моторних масел для більшості легкових та важких вантажних автомобілів по всьому світу сьогодні, ми почнемо з них.

SAE 5W-30 всесезонний клас в'язкості моторного масла, що найбільш широко використовується в двигунах легкових автомобілів. Працює як клас в'язкості SAE 5 у зимовий період, а також як клас в'язкості SAE 30 у літній час. Значення 5W (W позначає зиму) говорить нам, що олія текуча, і в холодну температуру двигуну буде легше. Олія швидко тече до всіх частин двигуна та економія палива покращується, тому що менше в'язкого опору від масла на двигуні.

30 частина SAE 5W-30 робить масло більш в'язким (товщі плівка) для високотемпературного захисту в літній час водіння, зберігаючи масло від надмірного стоншення, не даючи відбутися контакту металу з металом усередині двигуна.

Для важких умов експлуатації дизельних масел в даний час застосовують вищі класи в'язкості SAE, ніж для моторних масел легкових автомобілів. У всьому світі найбільш широко використовується клас в'язкості SAE 15W-40, який є більш в'язким (і товщі плівка), ніж SAE 5W-30. Взимку (5W проти 15W) та влітку (30 та 40). Загалом, що вище числа класу в'язкості SAE, то більше в'язке (товщі плівка) масло.

Сезонні олії, наприклад, такі як SAE 30 і 40 класів, не містять полімери для модифікації в'язкості при зміні температури. Використання всесезонного моторного масла, що містить модифікатори в'язкості, дозволяє споживачеві мати подвійну вигоду від простоти плинності та запуску, зберігаючи при цьому високий рівень захисту двигуна. Крім того, на відміну від сезонних моторних масел, споживачеві не потрібно турбуватися про перехід з літнього сорту на зимовий сорт із урахуванням сезонних коливань температури.

Полімерні модифікатори в'язкості.

Типи модифікаторів в'язкості:
Поліізобутилен (PIB) був переважним VМ для моторного масла від 40 до 50 років тому. PIB все ще використовується в трансмісійних маслах завдяки своїм визначним характеристикам зносостійкості. PIB замінені олефіновими сополімерами (OCP) в моторних маслах через їхню чудову ефективність і продуктивність.
Поліметакрилат (PMA) полімери містять алкільні бічні ланцюги, які перешкоджають утворенню кристалів парафіну в маслі, забезпечуючи чудові низькотемпературні властивості. PMA використовуються в моторних мастил для економії палива, трансмісійних оліях та коробках передач. Як правило, вони мають вищу вартість, ніж OCP.
Олефінові полімери (OCP) знайшли широке застосування в моторних оліях через їх низьку вартість та задовільну роботу.

Багато OCP над ринком, різняться по молекулярної масі, і ставленням етилену до змісту пропилена. OCP є головним полімером, який використовується для модифікаторів в'язкості в моторних маслах.

Styrene Maleic Anhydride Ester Copolymers (Styrene Esters). Поєднання різних алкільних груп забезпечує відмінні низькотемпературні властивості. Типовими прикладами використання є: ефективне паливо, моторні масла для автоматичних коробок передач. Як правило, вони мають більшу вартість, ніж OCP.

Hydrogenated Styrene-Diene Copolymers (SBR) характеризують вигоди економії палива, хороші низькотемпературні властивості, а також характеристики перевершують більшість інших полімерів.

Hydrogenated Radial Polyisoprene polymers полімери мають гарну стійкість до зсуву. Їхні низькотемпературні властивості аналогічні OCP.

Вимірювання в'язкості, кінематична в'язкість
Мастильна промисловість створила та вдосконалили лабораторні тести, якими можна виміряти параметри в'язкості та спрогнозувати, як працюватимуть модифіковані моторні олії.
Кінематична в'язкість є найбільш поширеним виміром в'язкості використовується для моторних масел і є мірою опору потоку текучого середовища дії сили тяжіння. Кінематична в'язкість традиційно використовується як керівництво при виборі в'язкості олії для використання при нормальних робочих температурах. Капілярний віскозиметр вимірює витрати фіксованого об'єму рідини через невеликий отвір при контрольованій температурі.

Тест на капілярному віскозиметрі високого тиску, який використовується для імітації в'язкості моторних масел під час експлуатації підшипників колінчастого валу для вимірювання рівня високотемпературної в'язкості при високій швидкості зсуву (HTHS). HTHS може бути пов'язано з довговічністю двигуна при високому навантаженні та важких умовах служби

Ротаційні віскозиметри вимірюють опір текучого середовища, до потоку, використовуючи крутний момент на валу, що обертається, з постійною швидкістю обертання. Cold Cranking Simulator (CCS). Цей тест вимірює в'язкість за низьких температур, щоб імітувати запуск двигуна при низькій температурі. Олії з високою в'язкістю CCS можуть зробити важким старт двигуна.

Інший поширений роторний тест віскозиметра є Mini-Rotary Viscometer (MRV). Цей тест вивчає здатність насоса прокачувати олії після зазначеної термічної історії, яка включає потепління, повільне охолодження та цикли холодного замочування. MRV корисні при прогнозуванні моторних масел, схильних до відмов польових умов повільного охолодження (протягом ночі) у холодному кліматі.

Моторне масло іноді оцінюють вимірюванням температури застигання (ASTM D97) та помутніння (ASTM D2500). Застигання це найнижча температура, коли він спостерігається рух у маслі, коли зразок у скляній трубці нахилений. Помутнінням є температура, за якої спочатку спостерігається хмара від утворення кристалів парафіну. Ці два останні методи сьогодні більше не використовуються та замінені технічними вимогами для низькотемпературного прокачування та індексом желатинізації.

Что такое Вязкость?

Вязкость это сопротивление текучей среды к потоку. Когда один слой жидкости скользит через другой слой той же жидкости, всегда есть некий уровень сопротивления между этими потоками. Когда величина этого сопротивления высока, то жидкость считается имеющей высокую вязкость и как следствие течет толстым слоем, например как мед. Когда сопротивление потока жидкости является низким, то жидкость считается имеющей низкую вязкость и ее слой очень тонкий, например как оливковое масло.

Поскольку вязкость многих жидкостей изменяется при изменении температуры, важно учитывать, что жидкость должна обладать подходящей вязкостью при различных температурах.

Вязкость для моторного масла.

Моторные масла должны смазывать компоненты мотора во всех пределах нормального рабочего диапазона температуры в двигателе. Низкие температуры, как правило, утолщают поток моторного масла, что делает более трудной его перекачку. Если смазка будет медленно добираться до основных деталей двигателя, масляное голодание приведет к их чрезмерному износу. Кроме того, густое масло сделает пуск холодного двигателя затрудненным из-за дополнительного сопротивления.

С другой стороны, тепло имеет тенденцию делать масляную пленку тонкой, а в крайних случаях может уменьшить защитные способности масла. Это может привести к преждевременному износу и механическому повреждению поршневых колец и стенок цилиндра. Хитрость заключается в нахождении правильного баланса вязкости, толщины масляной пленки и текучести. Добиться этого способны модификаторы вязкости раствора. Модификаторы вязкости представляют собой полимеры, специально разработанные, чтобы помочь регулировать вязкость смазочного материала в определенном диапазоне температур. Они помогают смазке обеспечивать адекватную защиту и текучесть.

Видео поможет проиллюстрировать три ключевых момента вязкости:
- Жидкое масло течет быстрее, чем густое масло.
 - Низкие температуры загущают масла и замедляют их текучесть, в сравнении с более высокими температурами.
- Модификатор вязкости масла может оказать влияние на его производительность.

Регулирование вязкости полимерами.

Два различных моторных масла: масло высокой производительности (с модификаторами) и масло низкого уровня производительности. Оба класса вязкости SAE 10W-40. Химический стакан на левом углу показывает вязкость моторного масла высокой производительности при комнатной температуре. Во втором химическом стакане слева показано, как моторное масло с низкой производительность может загустеть во время использования. Третий химический стакан показывает, как масло с высокой производительностью сохраняет текучесть при -30 ° C. Мензурка в крайнем правом положении иллюстрирует пониженную текучесть моторного масла низкой производительности при -30 ° C.

Изучая химию в школе помним, что полимер представляет собой большую молекулу, которая состоит из множества повторяющихся субъединиц, известных в качестве мономеров. Природные полимеры, такие как янтарь, резина, шелк, дерево являются частью нашей повседневной жизни. Искусственно сделанные полимеры впервые пришли в общее использование в 1930-е годы. Синтетический каучук и нейлоновые чулки :) К 1960, польза от добавления углерода на основе полимеров, который часто применяют в качестве модификаторов вязкости, стала признанной повсеместно.

На протяжении всего этого периода, Lubrizol является лидером в области химии полимеров для моторного масла легковых и грузовых автомобилей. Сегодня, модификаторы вязкости (VMS) являются ключевыми компонентами в большинстве моторных масел. Их роль заключается в оказании помощи смазки, достижения требуемой вязкости и главным образом положительно влиять на изменения вязкости смазывающего вещества при воздействии температурных колебаний.

Классы вязкости

Проще говоря, класс вязкости означает толщину пленки масла. Есть два типа класса вязкости: сезонное и всесезонное. Масла, такие как SAE 30 предназначены для обеспечения защиты двигателя при нормальной рабочей температуре, но у них будет отсутствовать текучесть при низких температурах.

Всесезонные масла обычно используют модификаторы вязкости для достижения большей гибкости. У них идентифицирован диапазон вязкости, например SAE 10W-30. Буква "W" означает, что масло было испытано для использования как в холодную погоду, так и при нормальной для эксплуатации двигателя температурах.

Для более глубокого понимания классов вязкости, полезно использовать примеры. Поскольку всесезонные масла являются стандартом моторных масел для большинства легковых и тяжелых грузовых автомобилей по всему миру сегодня, мы начнем с них.

SAE 5W-30 всесезонный класс вязкости моторного масла, наиболее широко используемый в двигателях легковых автомобилей. Работает как класс вязкости SAE 5 в зимний период, а также в качестве класса вязкости SAE 30 в летнее время. Значение 5W (W обозначает зиму) говорит нам, что масло текучее, и в холодную температуру двигателю будет легче. Масло быстро течет ко всем частям двигателя и экономия топлива улучшается, потому что меньше вязкого сопротивления от масла на двигателе.

30 часть SAE 5W-30 делает масло более вязким (толще пленка) для высокотемпературной защиты в летнее время вождения, сохраняя масло от чрезмерного истончения, не давая произойти контакту металла с металлом внутри двигателя.

Для тяжелых условий эксплуатации дизельных масел в настоящее время применяют более высокие классы вязкости SAE, чем для моторных масел легковых автомобилей. Во всем мире наиболее широко используется класс вязкости SAE 15W-40, который является более вязким ( и пленка толще), чем SAE 5W-30. Зимой (5W против 15W) и летом (30 и 40). В целом, чем выше числа класса вязкости SAE, тем более вязкое (толще пленка) масло.

Сезонные масла, например такие как SAE 30 и 40 классов, не содержат полимеры для модификации вязкости при изменении температуры. Использование всесезонного моторного масла, содержащего модификаторы вязкости, позволяет потребителю иметь двойную выгоду от простоты текучести и запуска, сохраняя при этом высокую степень защиты двигателя. Кроме того, в отличие от сезонных моторных масел, потребителю не нужно беспокоиться о переходе с летнего сорта на зимний сорт с учетом сезонных колебаний температуры.

Полимерные модификаторы вязкости.

Типы модификаторов вязкости:
Полиизобутилен (PIB) был преобладающим VМ для моторного масла от 40 до 50 лет тому назад. PIB все еще используется в трансмиссионных маслах благодаря своим выдающимся характеристикам износостойкости. PIB заменены олефиновыми сополимерами (OCP) в моторных маслах из-за их превосходной эффективности и производительности.
Полиметакрилат (PMA) полимеры содержат алкильные боковые цепи, которые препятствуют образованию кристаллов парафина в масле, обеспечивая превосходные низкотемпературные свойства. PMA используются в моторных масел для экономии топлива, трансмиссионных маслах и коробках передач. Как правило, они имеют более высокую стоимость, чем OCP.
Олефиновые полимеры (OCP) нашли широкое применение в моторных маслах из-за их низкой стоимости и удовлетворительной работы. Многие OCP на рынке, различаются по молекулярной массе, и отношением этилена к содержанию пропилена. OCP являются главным полимером, используемым для модификаторов вязкости в моторных маслах.

Styrene Maleic Anhydride Ester Copolymers (Styrene Esters). Сочетание различных алкильных групп, обеспечивает отличные низкотемпературные свойства. Типичные примеры использования являются: эффективное топливо, моторные масла для автоматических коробок передач. Как правило, они имеют высокую стоимость, чем OCP.

Hydrogenated Styrene-Diene Copolymers (SBR) характеризуют выгоды экономии топлива, хорошие низкотемпературные свойства, а также характеристики превосходят большинство других полимеров.

Hydrogenated Radial Polyisoprene polymers полимеры имеют хорошую устойчивость к сдвигу. Их низкотемпературные свойства аналогичны OCP.

Измерение вязкости, кинематическая вязкость
Смазочная промышленность создала и усовершенствовали лабораторные тесты, которыми можно измерить параметры вязкости и спрогнозировать, как будут работать модифицированные моторные масла.
Кинематическая вязкость является наиболее распространенным измерением вязкости используется для моторных масел и является мерой сопротивления потока текучей среды действию силы тяжести. Кинематическая вязкость традиционно используется в качестве руководства при выборе вязкости масла для использования при нормальных рабочих температурах. Капиллярный вискозиметр измеряет расход фиксированного объема жидкости через небольшое отверстие при контролируемой температуре.

Тест на капиллярном вискозиметре высокого давления, который используется для имитации вязкости моторных масел при эксплуатации подшипников коленчатого вала для измерения уровня высокотемпературной вязкости при высокой скорости сдвига (HTHS). HTHS может быть связано с долговечностью двигателя при высокой нагрузке и тяжелых условиях службы

.

Ротационные вискозиметры измеряют сопротивление текучей среды, к потоку, используя крутящий момент на вращающемся валу с постоянной скоростью вращения. Cold Cranking Simulator (CCS). Этот тест измеряет вязкость при низких температурах, чтобы имитировать запуск двигателя при низкой температуре. Масла с высокой вязкостью CCS могут сделать трудным старт двигателя.

Другой распространенный роторный тест вискозиметр является Mini-Rotary Viscometer (MRV). Этот тест изучает способность насоса прокачивать масла после указанного термической истории, которая включает потепление, медленное охлаждение, и циклы холодного замачивания. MRV полезны при прогнозировании моторных масел, склонных к отказам полевых условиях медленного охлаждения (в течение ночи) в холодном климате.

Моторное масло иногда оценивают измерением температуры застывания (ASTM D97) и помутнения (ASTM D2500). Застывание это самая низкая температура, при которой наблюдается движение в масле, когда образец в стеклянной трубке наклонен. Помутнением является температура, при которой сначала наблюдается облако от образования кристаллов парафина. Эти два последние метода сегодня больше не используются и заменены техническими требованиями для низкотемпературной прокачкой и индексом желатинизации.