Bilim.techО проекте

Выбор масла по вязкости и температуре

Какое масло залить в дизель, если зимой на руднике −40 °C, а летом жара? Морози и грей воздух, выбирай 15W-40, 10W-30, 5W-40 или 0W-30 и смотри на диаграмме вязкости, заведется ли двигатель и хватит ли пленки горячим.

01 Что это такое

Масло выбирают по двум окнам: насколько оно жидкое на морозе при пуске и насколько густое горячим под нагрузкой. Марка SAE вроде 15W-40 говорит про оба окна сразу.

Первая часть марки, с буквой W (winter, зима), отвечает за холод: чем меньше цифра, тем при более сильном морозе масло прокачивается насосом и стартер проворачивает вал. Вторая часть отвечает за жару: это вязкость при 100 °C. Двигатель требует, чтобы горячее масло не было жиже определенного предела, иначе пленка во вкладышах станет тонкой. Для нагруженного дизеля еще важна вязкость при 150 °C и сильном сдвиге, HTHS: так масло ведет себя в самом вкладыше. На высокогорном руднике зимой бывает −40 °C, и масло, которое летом в самый раз, зимой не дойдет до вкладышей.

15W-40холод: пускжара: работакласспрокачкапуск0Wдо −40 °Cдо −35 °C5Wдо −35 °Cдо −30 °C10Wдо −30 °Cдо −25 °C15Wдо −25 °Cдо −20 °Cклассν при 100 °CHTHS309,3–12,5 мм²/с≥ 2,94012,5–16,3 мм²/с≥ 2,9*HTHS: мПа·с при 150 °C и сильном сдвиге* у 15W-40 не меньше 3,7по SAE J300: прокачка это вязкость не больше 60 000 мПа·с на малом сдвиге
Слева зимние классы: до какой температуры масло прокачивается насосом и проворачивается стартером. Справа летние: какая вязкость горячим. Карьерные дизели обычно требуют HTHS не меньше 3,5 мПа·с.
ν
Кинематическая вязкость. Как быстро масло течет под своим весом, мм²/с. Ее меряют при 40 и 100 °C и по двум точкам строят прямую Уббелоде–Вальтера.
ИВ
Индекс вязкости. Насколько вязкость меняется с температурой. Минеральное масло около 100, всесезонное синтетическое 150–180: его прямая положе.
HTHS
Вязкость горячим при сильном сдвиге. Меряется при 150 °C, мПа·с. Показывает, какая пленка будет во вкладышах и на кольцах под нагрузкой.
02 Опыт
Морози воздух до −45 °C. Грей в жару. Выбирай масло. ВЫБОР МАСЛА
ТРИБОЛОГИЯ

Какое масло залить на зиму и на лето?

Рис. 9.7
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ
Холодный пуск
Вязкость при пуске, по прямой
Пленка горячим
03 Формулы по буквам

Прямая вязкости и два окна выбора

По двум точкам из паспорта масла строят прямую вязкости, а пригодность проверяют по таблицам SAE J300 и требованию двигателя. Откуда берется сама формула и как работают загущающие присадки, разобрано в химии: «Смазочные материалы: вязкость и присадки». Числа берутся из опыта.

Какая вязкость при любой температуре?

lg lg(ν + 0,7) = A − B · lg T

Уравнение Уббелоде–Вальтера. В двойных логарифмах вязкость против температуры ложится на прямую: хватает двух точек из паспорта, при 40 и 100 °C. Ниже нуля прямая врет: настоящее масло гуще из-за парафина.

ν
кинематическая вязкость, мм²/с
T
абсолютная температура, К: t + 273,15
A, B
постоянные масла, считаются по двум точкам. B это наклон: меньше B, выше индекс вязкости

Заведется ли двигатель на морозе?

tмасла ≥ tпуска > tпрокачки

Правило выбора по SAE J300. Выше границы проворачивания пуск надежный. Между границами насос масло прокачает, но стартер еле крутит. Ниже границы прокачки масло не дойдет до вкладышей: пускать нельзя без подогрева.

tпуска
граница проворачивания, °C: вязкость CCS не больше 6200–7000 мПа·с
tпрокачки
граница прокачки, °C: вязкость MRV не больше 60 000 мПа·с
tмасла
температура масла в картере перед пуском, °C

Не слишком ли жидкое горячим?

HTHS150 ≥ HTHSтреб

Производитель двигателя пишет минимум HTHS в руководстве. Слишком жидкое масло экономит топливо, но во вкладышах и на кольцах тонкая пленка, растет износ. Слишком густое горячим греется и хуже прокачивается.

HTHS150
вязкость при 150 °C и скорости сдвига 10⁶ с⁻¹, мПа·с
HTHSтреб
минимум по требованию двигателя: для карьерного дизеля обычно 3,5

Почему в двойных логарифмах получается прямая

При нагреве вязкость падает очень круто: от 60 000 мм²/с на морозе до 10 мм²/с горячим, в тысячи раз. На обычном графике такая кривая прижимается к осям, и ничего не видно. Если взять логарифм вязкости, кривая выпрямляется, но не до конца. Уббелоде и Вальтер заметили, что логарифм от логарифма почти точно ложится на прямую против логарифма температуры. Добавка 0,7 подобрана, чтобы прямая не ломалась у маловязких масел.

На такой бумаге каждое масло это прямая. Крутая прямая: масло сильно густеет на холоде, у него низкий индекс вязкости. Пологая: масло почти одинаковое и зимой, и летом. Всесезонное масло делают пологим двумя путями: берут синтетическую основу без парафина и добавляют загущающие полимеры, которые сворачиваются на холоде и распрямляются в жару.

Как вязкость решает, всплывет ли вал во вкладыше, смотри в темах «Кривая Штрибека и режимы смазки» и «Подшипник скольжения и масляный клин».

40 °C100 °CИВ 95: крутоИВ 170: пологоνlg T →
Через две точки паспорта, при 40 и 100 °C, проводят прямую. На морозе пологое масло в десятки раз жиже крутого.
04 Где и зачем это применяют

Одно масло на весь год или два по сезонам

Допущения модели+

Вязкости масел при 40 и 100 °C, HTHS и плотности взяты типичными для каждого класса, у конкретной марки они другие. Прямая Вальтера проведена через две точки и пунктиром продолжена на мороз, хотя настоящее масло на холоде гуще из-за парафина и полимеров; поэтому о пуске опыт судит не по прямой, а по границам SAE J300 для каждого зимнего класса. Верхняя граница температуры воздуха для каждого масла (+35 °C для класса 30 и +50 °C для класса 40) взята как в типичных таблицах производителей. Масло в картере под нагрузкой считается по простому правилу 95 °C + 0,25 · (tвоздуха − 20) и еще +8 °C на высоте 4000 м. Подогреватель поднимает масло на 35 °C, но не выше −5 °C. HTHS на графике пересчитан в мм²/с при плотности 0,81 г/см³.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →