SAE
Обозначение вязкости по классификации SAE
Наличие двух цифр, разделенных буквой W говорит о всесезонности масла. При этом первая цифра фиксирует минимальную отрицательную температуру, при которой двигатель можно будет провернуть. Так, масло 0W40 должно прокачиваться от -35ºС, 15W40 – от -20ºС. Вторая цифра определяет вязкость масла при температуре 100ºС, точнее – не саму вязкость, а допустимый диапазон ее изменения. Так, для «тридцатки» вязкость при 100ºС может меняться в диапазоне от 9.3 до 12.5 сСт (сантистоксов – единиц измерения вязкости), для «сороковки» - от 12.5 до 16.5 сСт, а для «пятидесятки» - от 16.3 до 21.9 сСт. То есть кинематическая вязкость в пределах допустимого диапазона может меняться на 10…15%. Российская классификация по вязкости дает значительно более жесткий допуск по диапазону изменения вязкости – чаще всего не более 2 сСт, а для наиболее ответственных масел – не более 1 сСт…
Чем больше вязкость масла, тем толще масляные пленки образуются в парах трения двигателя – в подшипниках коленчатого вала, под поршневыми кольцами … И чем толще – тем лучше, ведь они защищают от износа.
Но и мощность мотора, и расход масла на угар, и даже, как это не парадоксально, температуры его деталей, а значит, общая надежность двигателя, зависят от вязкости масла.
Для начала, давайте разберемся, откуда берутся пленки и от чего зависит их толщина? Наверное, все видели, как покатушки на водных лыжах. Явление это называется глиссированием, и, чтобы оно возникло, требуется три условия. Во-первых, нужна скорость – то есть относительное движение поверхностей. Во-вторых, нужно определенное положение лыж относительно поверхности воды – так называемый «угол атаки». И, наконец, нужна сама вода – то есть некая вязкая среда, на которую будет опираться лыжник.
В моторе все это есть. Скорость – от вращения коленчатого вала, угол атаки формируется либо зазором в круглом подшипнике коленчатого вала, либо обеспечивается на стадии производства деталей заданием нужных профилей рабочих поверхностей и корректируется в процессе обкатки. А вместо воды - масло.
Кстати, если в пленках в подшипниках никто не сомневался, то в том, что они есть под поршневыми кольцами, сомнения были развеяны только в 80-х годах прошлого века. Тогда практически одновременно и у нас, и в Штатах, и в Японии были поставлены эксперименты, с помощью которых были измерены их толщины и выявлены некоторые законы их жизни в цилиндрах двигателя, в том числе – зависимость от вязкости масла. Кстати, автор этой статьи в этих работах принимал непосредственное участие. Но это так, к слову…
И, кроме всего прочего, была выявлена очень забавная особенность зависимости мощности мотора от толщины масляного слоя и, в частности, от вязкости моторного масла. Есть определенная, оптимальная толщина масляного слоя, при котором мощность потерь трения будет минимальной. То есть что более тонкая, что более толстая пленка приведет к снижению мощности мотора. Следовательно, эффективная мощность мотора при оптимальной толщине пленки будет максимальной. Но эта оптимальная толщина слоя масла своя для каждого режима и, более того, она зависит от конструкции и реального состояния мотора, потому что зазоры весь период жизни мотора меняются, а они в большой степени определяют те самые углы атаки, формирующие подъемную силу.
Но общая зависимость едина – чем больше обороты, точнее – скорость поршня, тем больше оптимальная толщина масляной пленки. Но это – для повышения мощности двигателя. Казалось бы, все понятно – хочешь форсировать мотор, лей масло погуще… И опять все не так просто – ведь та самая мощность трения, которую мы пытаемся минимизировать, с ростом вязкости тоже растет, причем практически прямо пропорционально. И снова – надо искать некий оптимум.
Это можно сделать с помощью современных методов математического моделирования процессов трения в двигателе – они работают достаточно надежно. Но нам будет интереснее и показательнее обратиться непосредственно к мотору – где и на каких режимах какое масло ему выгоднее…
Итак, понятно, что оптимального общего рецепта по выбору масла для всех моторов сразу нет и быть не может. Но попробуем подобрать нечто наилучшее для какого-то конкретного мотора. В нашем случае это будет полуторолитровый мотор для ВАЗа 08-10 семейств. Причем можно смело утверждать, что большой разницы в рекомендациях для восьми- или шестнадцатиклапанников не будет – по «низу» они практически одинаковы.
Мотор – прилично собранный и качественно обкатанный, то есть мы находимся в области нормальных моторов с невысокой степенью износа, составляющих немалый процент парка отечественных автомобилей.
И задачу мы поставим достаточно прозрачную- как влияет первая и вторая цифра классификации вязкости по SAE (те, что до и после буковки W) на основные характеристики мотора – мощность, экономичность и скорость износа, то бишь – ресурс. Для этого выбрано по две канистры шести моторных масел Shell Helix – с различным набором соотношений интересующих нас цифр – от 5 до 15 для первой и от 30 до 60 для второй.
Чтобы увеличить количество вариантов вязкости, испытания будут вестись для различных сроков наработки каждого масла. Сначала замеры мощности и расхода топлива на фиксированных режимах для свежего масла, потом наработка на нем двадцати моточасов, а потом – повтор измерений. По мере наработки вязкость масла меняется, и характеристики мотора будут несколько различаться. Естественно, будем отбирать пробы масла на каждой стадии испытаний для того, чтобы измерить реальную вязкость. А накатывать мотор будем на тех режимах, где скорость износа практически нулевая – средних оборотов и нагрузок.
Что показали испытания? Первая цифра классификации SAE при прогретом моторе практически ни на что не влияет. Все замеренные показатели мощности и расхода топлива для трех масел SAE 5W40, 10W40 и 15W40 легли в пределы погрешности измерений, причем для каждого из циклов замеров – свежего и поработавшего масла. Итак, низкотемпературная вязкость и минимальная температура прокачиваемости на мощность и расход практически не влияет.
Чем вязче масло, тем меньше изнашивается мотор
А ресурс? Проверить экспериментом это сложно, но по логике очевидно, что чем быстрее масло начинает прокачиваться через систему смазывания, тем ниже интенсивность «пускового» износа. Поэтому чем меньше первая цифра, тем меньше мотор изнашивается при холодом пуске. Кстати, это будет заметно и по самому поведению автомобиля – на таком масле он быстрее начинает принимать нагрузку по мере прогрева:
Так меняется «оптимальность» масла в зависимости от сезона эксплуатации мотора. Зимой масло в поддоне холоднее, значит, его температура и в узлах трения будет ниже. Отсюда – отходим от «сороковки» и приближаемся к «тридцатке».
Со второй цифрой сложнее. Мы построили графики зависимости крутящего момента двигателя при работе на маслах с различной вязкостью и сразу прорисовались те самые оптимумы. Причем, что интересно, подтвердилось и то, что по мере увеличения оборотов двигателя этот оптимум смещался в зону более высоких вязкостей. Так, если мотор преимущественно работает на режимах умеренных оборотов (2000…3000 об/мин), то есть на режимах обычной эксплуатации по городскому циклу, то «сороковка» близка к оптимуму. А вот при высоких оборотах, выше 4000 об/мин, оптимум смещается ближе к «пятидесятке»:
«Оптимумы» механических потерь двигателя. Чем выше обороты, тем в область более вязких масел приходится сдвигаться
С ресурсом эксперимент не поможет, слишком много времени он потребует. Но, используя методы математического моделирования процессов изнашивания деталей ДВС, можно показать, в общем-то, очевидное. Если исключить пусковой износ, на который влияют в основном присадки, включенные в состав базового пакета, то зависимость очевидна – чем больше вязкость, тем меньше износ.
Так ли все очевидно? И настолько ли лучше масло с большей вязкостью? Вот здесь стоит обратиться к случаю из нашей реальной практики, весьма показательному.
Единожды, доводя на стенде тюнинговый мотор, собранный с индивидуальной подгонкой по зазорам в цилиндропоршневой группе, мы столкнулись со странной, на первый взгляд, ситуацией. Мотор обкатывался на стенде на обычной «сороковке», после чего на этом же масле сняли кривую крутящего момента. Все было прогнозируемо, получили практически то, чего ожидали при использованных настройках мотора. А потом, к приезду клиента, залили «пятидесятку», на которой в дальнейшем планировалось гонять мотор. И ожидали еще прибавки момента. Но мотор по всем оборотам неожиданно «затупел»:
Измерения на стенде все подтвердили - потеряно 12% (!) мощности на высоких оборотах.
А решение задачи было вовсе нетривиально! Вскрытие мотора показало интересную картину, характерную для начала температурного задира поршней во всех цилиндрах:
Вот она, причина падения мощности. Из-за повышенных температур поршни стало «раздувать» и они начали подклинивать. Свидетельство этого – сбитый до металла нагар на головке поршня и начало задира..
Ответ дало математическое моделирование. Дело в том, что масляные пленки, формируемые поршневыми кольцами, дают серьезное тепловое сопротивление – ведь то тепло, которое принимается поршнем от газов в камере сгорания, процентов на 60 отводится через кольца. А теплопроводность масла очень низкая! И чем толще пленки, тем меньше тепла отводится от поршня. Вот его температуры и растут! А с температурами увеличивается и сам размер поршня – ведь все металлы при нагревании расширяются. А исходные зазоры и так были достаточно малыми – уж так собирали мотор.
Так вот, наши оценки показали, что простой переход с «сороковки» на «пятидесятку» для нашего мотора дает увеличение температур поршня градусов на 8…12 градусов в зависимости от режима его работы. А это – очень даже немало. Но кто это учитывает в выборе масла?
И еще… Очевидно, что чем толще пленки масла остаются в цилиндре, тем больше его улетит в трубу, то есть израсходуется на угар. Поэтому при использовании более вязких масел чаще всего придется столкнуться с ситуацией большего их расхода. Но, если мотор исправен, заметно это будет только при длительной работе на режимах с высокими оборотами…
И, наконец, последний и самый главный вопрос – так какое масло лить? А ответ прост – только масла тех групп вязкости, которые рекомендованы производителем. Причем – МОТОРА, а не МАСЛА!
Александр Шабанов
