Классификация моторных масел по вязкости

Вязкость масла – это основной показатель качества, который является общим для всех масел. Для двигателя или любого другого механизма необходимо применять масла с оптимальной вязкостью, величина которой зависит от конструкции, режима работы и степени износа, температуры окружающей среды и других факторов.

Степени вязкости SAE

В настоящее время единственной признанной в зарубежных странах системой классификации автомобильных моторных масел является спецификация SAE J300. SAE – это аббревиатура Общества Автомобильных Инженеров США (Society of Automotive Engineers). Вязкость масла по этой системе выражается в условных единицах – степенях вязкости SAE (SAE Viscosity Grade – SAE VG). Численные значения степеней являются условными символами комплекса вязкостных свойств (см. табл. 1).

В таблице указаны два ряда степеней вязкости: зимний – с буквой “W” (Winter), и летний – без буквенного обозначения. Сезонные (моновязкие) масла (single viscosity grade oils) зимнего ряда различаются по максимальным вязкостям низкотемпературной проворачиваемости и прокачиваемости, и по минимальной кинематической вязкости при 100°С. Степень вязкости сезонных масел летнего ряда определяется по минимальной и максимальной кинематическим вязкостям при 100°С, и по минимальной вязкости при 150°С и скорости сдвига 106 с-1.
Всесезонные масла (multiviscosity-grade oils) должны удовлетворять одновременно двум следующим критериям:

• Максимальным вязкостям низкотемпературной проворачиваемости и прокачиваемости со степенью зимнего ряда (W).
• Максимальной и минимальной кинематическими вязкостями при 100°С и минимальной вязкости при 150°С и скорости сдвига 106 с-1 в соответствии со степенью летнего ряда (без буквы W).

Классификация SAE J300 используется производителями двигателей для определения степеней вязкости моторных масел пригодных для использования в их двигателях и производителями масел при разработке новых составов, производстве и маркировке готовых продуктов.

Стандартные ряды вязкости:

• зимний ряд: SAE 0w, 5w, 10w, 15w, 20w, 25w;
• летний ряд: SAE 20, 30, 40, 50, 60.

Всесезонные (multigrade) масла, состоят из комбинации зимнего и летнего ряда разделенные знаком “тире” (например, SAE 10w-40), другие виды записи являются неверными, и использование аббревиатуры SAE для них недопустимо (например SAE 10w/40 или SAE 10w40).
Серия всесезонных масел: SAE 0w-20, 0w-30, 0w-40, 0w-50, 0w-60, 5w-20, 5w-30, 5w-40, 5w-50, 5w-60, 10w-30, 10w-40, 10w-50, 10w-60, 15w-30, 15w-40, 15w-50, 15w-60, 20w-30, 20w-40, 20w-50, 20w-60.

Классификация моторных масел по вязкости SAE J300 DEC99

В первый день июня 2001 года прекращено одновременное действие двух спецификаций “SAE J300 APR97” и “SAE J300 DEC99”. С этого момента спецификация 99-го года полностью вступила в свои права.

Изменения

Изменения коснулись только лимитов вязкости проворачивания, определяемой на “имитаторе холодного пуска” CCS (Cold Cranking Simulator). Согласно новой спецификации, температура при которой проводят измерение вязкости проворачивания, понижена на 5 °С, а предельные значения вязкости проворачивания значительно увеличены для всех w-степеней.
Новые предельные значения вязкости выбирались не случайно. Для производства моторных масел 10w/15w/20w /25w-XX чаще всего применяют базовые масла с индексами вязкости менее 120 единиц. Низкотемпературная вязкость таких масел повышается приблизительно в 2 раза, при каждом понижении температуры измерения на 5 °С. Предельные значения новой спецификации для этих степеней увеличены в два раза, по сравнению с прежними. При производстве всесезонных моторных масел 0w/5w-XX, все большее применение находят синтетические и высокоочищенные гидрокрекинговые базовые масла с высокими индексами вязкости. Низкотемпературные вязкости таких масел каждый раз повышаются менее чем в два раза при понижении температуры измерения с шагом 5 °С. Предельные значения для этих степеней увеличены менее чем в два раза.
Новые лимиты вязкости подобраны таким образом, чтобы уменьшить вероятность того, что моторные масла ранее классифицированные по спецификации SAE J300 APR97 получат более низкотемпературную степень вязкости W исключительно благодаря изменениям в спецификации SAE J300.

Причины изменения

Известно, что ограничения по максимальной вязкости проворачивания включены в набор требований стандарта SAE J300 не случайно. Производители двигателей получали информацию о температурах, при которых динамическая вязкость масел различных степеней достигает значений 3250-6000 мПа*с (диапазон вязкостей обусловлен различием температур испытаний от – 30 °С до – 5 °С, что существенно влияет на мощность аккумуляторной батареи и воспламеняемость топлива). По результатам прежних испытаний на полноразмерных двигателях было установлено, что при таких вязкостях и соответвующих температурах еще возможно проворачивание коленчатого вала стартером со скоростью, обеспечивающей успешный запуск двигателя.
В отличие от двигателей, которые использовались при определении прежних лимитов, современные двигатели демонстрируют успешный запуск при более высоких значениях вязкости и при более низких температурах. После проведения необходимых испытаний, отдел Топлив и Смазочных материалов SAE утвердил новые значения лимитов температур и вязкостей:

По спецификации SAE J300, вязкости масел определяются при условиях, близких к реальным. Летнее масло имеет достаточную вязкость, чтобы обеспечить надежное смазывание при высокой температуре, но оно слишком вязкое при низкой температуре, в результате чего при низкой температуре воздуха затрудняется пуск двигателя. Маловязкое зимнее масло облегчает холодный пуск двигателя при низкой температуре, но не обеспечивает его смазывание летом, когда температура масла в двигателе превышает 100°С. Именно по этим причинам наибольшее распространение сегодня получили всесезонные сорта масел, имеющие меньшую зависимость вязкости от температуры.

Таким образом степень вязкости SAE помогает определить диапазон температуры окружающей среды, при котором масло обеспечит нормальную работу двигателя – его проворачивание стартером, прокачивание масла насосом по смазочной системе при холодном пуске и надежное смазывание летом при длительной работе в режиме максимальных скоростей и нагрузок.

Показатели низкотемпературной вязкости

• максимальная допустимая вязкость масла при запуске холодного двигателя, обеспечивающая проворачиваемость коленчатого вала со скоростью, необходимой для успешного запуска двигателя, а также температура, соответствующая такой вязкости;
• прокачиваемость масла определяется как наименьшая температура, при которой вязкость не превышает определенной величины (60 000 мПа с), обеспечивающей прокачивание по масляной системе.

Методы тестирования

Максимальная низкотемпературная вязкость проворачиваемости определяется на имитаторе запуска холодного двигателя (CCS) по стандарту ASTM D 5293 и измеряется в сантипуазах (мПа с). Установлено, что от этой вязкости зависит число оборотов коленвала двигателя во время “зимнего пуска”.

Вязкость прокачиваемости определяется по стандарту ASTM D 4684 и характеризует возможность притока масла в масляный насос и создания нужного давления в системе смазки при запуске двигателя. Определение вязкости прокачиваемости было введено после того, как было замечено, что некоторые масла (SAE 10w-30 и SAE 10w-40) после пребывания определенного времени (более 24 часов) при низкой температуре, теряют текучесть и становятся желеобразными.

Производители масел часто приводят сравнение легкости запуска двигателя и скорости достижения маслом удаленных точек смазывания при разных степенях вязкости применяемых масел. Подобные аргументы позволяют убедить потребителей в необходимости применения новых высококачественных продуктов с улучшенными низкотемпературными свойствами (рис. 2).

Рисунок 2 наглядно показывает, что масла зимнего ряда с более низкой степенью низкотемпературной вязкости (SAE 5w….., SAE 10w…) выгодно применять для облегчения запуска двигателя и существенного снижения его износа, поскольку в первые секунды работы двигателя, при недостаточном поступлении масла к удаленным точкам смазывания, проявляется наиболее сильное изнашивание.

В качестве дополнительной информации о низкотемпературной вязкости при создании нового масла или при изменении рецептуры, SAE рекомендует определять некоторые новые характеристики: температуру прокачиваемости по методу ASTM D 3829, вязкость при низкой температуре и низкой скорости сдвига (тенденцию к желеобразованию или индекс желатинизации) на сканирующем вискозиметре Брукфильда по методу ASTM D 5133, 5133, а также фильтруемость моторных масел при низкой температуре, которая показывает тенденцию образования твердых парафинов или других неоднородностей, способных к закупориванию масляного фильтра.

Показатели высокотемпературной вязкости

Показатели высокотемпературной вязкости моторных масел оцениваются на основе следующих значений:

• минимальной и максимальной вязкости масла (сСт) при температуре 100°С (по стандарту ASTM D 445);
• минимальной вязкости при температуре 150°С и высокой скорости сдвига (106 с-1) (метод ASTM D 4683 или, в Европе, метод СЕС L-36-А-90).

При эксплуатации двигателя особенно важна высокотемпературная вязкость при большой скорости сдвига, которая показывает поведение масла в узких узлах трения двигателя – в подшипниках коленчатого и распределительного валов, кривошипно-шатунного механизма и т.д.

Необходимая степень вязкости

Необходимая вязкость масла определяется на основании следующих факторов:

• особенности конструкции;
• степень износа двигателя;
• температура окружающей среды;
• режим работы двигателя.

При выборе степени вязкости моторного масла, следует руководствоваться рекомендациями производителя конкретного двигателя. Эти рекомендации основываются на конструктивных особенностях двигателя – степень нагрузок на масло, гидродинамическое сопротивление масляной системы, производительность масляного насоса, максимальные температуры масла в различных зонах двигателя в зависимости от температуры окружающей среды (особенности систем охлаждения).

Категории масел для дизельных двигателей коммерческих автомобилей

Данные категории обозначаются буквой С (commercial). Старые категории API CA и CB не обсуждаются.

категория API CC (устаревшая):

• Категория введена в 1961 году. Масла для дизельных двигателей без наддува. Допускается применение для двигателей с турбонаддувом, работающих в легком или среднем режиме и для бензиновых двигателей большой мощности. Масла данной категории содержат антикоррозийные присадки и присадки предотвращающие образование высоко- и низкотемпературных отложений.

категория API CD (устаревшая):

• Категория введена в 1955 году. Типичная категория масел для дизельных двигателей с турбонаддувом и без, для которых требуется эффективный контроль за накоплением продуктов износа. Допускается применение топлива с повышенным содержанием серы. Масла содержат присадки предотвращающие образование высокотемпературных отложений и предохраняющие подшипники от коррозии.
• Соответствует требованиям MIL-L-2104C/D.

категория API CD + (устаревшая):

• Категория создана для удовлетворения требованиям японских автопроизводителей. Масла обладают повышенной устойчивостью к окислению, загущению (под влиянием накопления сажи) и повышенной защитой клапанного механизма от износа.

категория API CD-II (устаревшая):

• Категория введена в 1987 году. Масла данной категории предназначены для двухтактных дизельных двигателей. Эффективно подавляют износ и образование шлама.
• Соответствует всем требованиям категории API CD.

категория API CE (устаревшая):

• Категория введена в 1987 году. Масла предназначены для форсированных и мощных дизельных двигателей с турбонаддувом и без, работающих как при малых оборотах и больших нагрузках, так и при больших оборотах и больших нагрузках.
• Заменяет масла категорий API CC и CD в более старых двигателях.

категория API CF (действующая):

• Категория введена в 1994 году. Масла предназначены для внедорожной техники, для двигателей с распределенным впрыском, включая двигатели работающие на топливе с содержанием серы более 0,5% от массы. Масла данной категории эффективно подавляют образование нагара на поршнях и коррозию медных сплавов подшипников.
• Заменяет масла категории API CD в более старых двигателях.

категория API CF-2 (действующая):

• Категория введена в 1994 году. Масла предназначены для высоконагруженных двухтактных дизельных двигателей. Эффективно подавляют износ цилиндров и залегание (закоксование) поршневых колец.
• Заменяет масла категории API CD-II в более старых моделях.

категория API CF-4 (действующая):

• Категория введена в 1990 году. Масла предназначены для высокоскоростных мощных четырехтактных дизельных двигателей с турбонаддувом и без него, устанавливаемых на мощных магистральных тягачах. Отвечают всем требованиям качества категории API CE и, кроме того, обладают меньшим расходом на угар и меньшей склонностью к нагарообразованию на поршнях. При согласовании с требованиями категории API SG (API CF-4/SG), могут быть применены для бензиновых двигателей легковых и малых грузовых автомобилей. Отвечают повышенным требованиям по токсичности отработанных газов.
• Заменяет масла категории API CE в более старых двигателях.

категория API CG-4 (действующая):

• Категория представлена в 1995 году. Масла предназначены для высоконагруженных, высокоскоростных, четырехтактных дизельных двигателей грузовых автомобилей магистрального типа использующих топливо с содержанием серы менее 0,05% от массы и немагистрального типа (содержание серы может достигать 0,5% от массы). Эффективно подавляют образование высокотемпературного нагара на поршнях, износ, пенообразоване, окисление, образование сажи (эти свойства необходимы для двигателей новых магистральных тягачей и автобусов). Категория создана для удовлетворения требованиям стандартов США по токсичности отработанных газов (редакция 1994 года).
• Заменяет масла категорий API CD, API CE и API CF-4. Основным недостатком, ограничивающим применение масел данной категории в мире, является относительно большая зависимость ресурса масла от качества применяемого топлива.

категория API CH-4 (действующая):

• Проектное название API PC-7. Категория представлена 1 декабря 1998 года. Масла данной категории предназначены для высокоскоростных, четырехтактных двигателей выполняющих требования жестких стандартов 1998 года по токсичности отработанных газов. Отвечают высочайшим требованиям не только американских, но и европейских производителей дизельных двигателей. Специально сформулированы для применения в двигателях, использующих топливо с содержанием серы до 0,5% от массы. В отличие от категории API CG-4, допускается применение дизельного топлива с содержанием серы более 0,5%, что является важным преимуществом в странах, в которых распространены высокосернистые топлива (Южная Америка, Азия, Африка). Масла удовлетворяют повышенным требованиям по уменьшению износа клапанов и уменьшению образования нагара.
• Заменяют масла категорий API CD, API CE, API CF-4 и API CG-4.

категория API PC-7.5 (проект)

• В январе 1999 года требования по токсичности отработанных газов были существенно ужесточены. Для удовлетворения этим требованиям североамериканские автопроизводители внесли ряд конструктивных изменений в свои двигатели, что привело к увеличению уровня образования сажи в моторных маслах в три-пять раз. Для предотвращения вредных последствий наличия сажи в моторном масле (увеличение степени износа деталей двигателя и загущение масла), необходимо было ввести ряд дополнительных требований и испытаний. С этой целью предполагалось создать новую категорию с проектным названием API PC-7.5. Однако “Mack Truck” и “Cummins” создали новые методы испытаний Mack T-8E, Mack T-9, Cummins M-11 и выпустили собственные спецификации – Mack EO-M Plus и Cummins CES 20076. Требования данных спецификаций были признаны достаточными для удовлетворения требований к новым маслам со стороны других автопроизводителей и были включены, как дополнительные, в категорию API CH-4. Потребность в новой категории API PC-7.5 отпала.

категория API PC-8 (проект)

• Проект создавался для удовлетворения потребностей японских автомобилестроителей. Был рекомендован для двигателей с пониженной эмиссией выхлопных газов. Не получил большой известности в связи с созданием нового японского стандарта JASO DX-1.

категория API PС-9 (проект)

• Эта категория проектируется в связи с новыми экологическими требованиями, которые сформулированы Американским агентством по охране окружающей среды (EPA). Основным способом удовлетворения этих требований является система рециркуляции отработанных газов (AGR – exhaust gas recirculation). Для этого требуются изменение конструкции двигателей и придание новых эксплуатационных свойств моторным маслам. Одновременно прогнозируется повышение удельных мощностей двигателей. Основные отличия работы моторного масла в условиях рециркуляции выхлопных газов и повышенной удельной мощности:

1. тенденция к образованию сильных кислот;
2. повышенное образование сажи и, в связи с этим, загущение масла и повышенный износ деталей двигателя;
3. более высокотемпературный режим работы двигателя и масла.

• Для оценки повышенных эксплуатационных свойств, вводятся новые моторные испытания на стендовых двигателях с рециркуляцией выхлопных газов:

• Cat 1Q,
• Mack T-10,
• Cummins M-11.
• Категорию API PC-9 предполагается ввести в действие в 2002 году.

Категория энергосберегающих масел

Моторные масла, отличающиеся низкой вязкостью как при низкой, так и при высокой температуре могут быть сертифицированы на соответствие категории API EC “энергосберегающее” масло (“Energy Conserving” Oil). Ранее энергосбережение определялось по методике Последовательности VI (Sequence VI, ASTM RR D02 1204). Данная методика использовалась для сертификации масел категории API SH на уровни (степени) энергосбережения: API SH/EC – 1,5% экономии топлива и API SH/ECII – 2,7% экономии топлива, по сравнению с эталонным маслом SAE 20w-30.

С 1 августа 1997 года экономия топлива определяется по новой методике ASTM RR D02 1364, Последовательность VIA (Sequence VIA), согласно которой маслу может быть присвоена только одна степень энергосбережения (ЕС). Пример: API SJ/EС.

Энергосберегающие масла предназначены для легковых и грузовых автомобилей малой грузоподъемности. В настоящее время разрабатывается аналогичная категория масел для мощных дизелей.