Расшифровка лабораторных анализов моторных масел

Чтобы научиться делать выбор масла правильно и осмысленно, опираясь не только на показатель вязкости по SAE и допусков, необходимо понимать все технические характеристики масел. В своих обзорах я постоянно привожу таблицу с лабораторными показателями масел – динамическая и кинематическая вязкость, плотность, индекс вязкости, содержание различных веществ и прочее. Чтобы вам было проще разбираться в этих показателях и понимать их, я создал эту статью, где подробно пройдусь по каждому показателю, объясню, зачем используется каждый из них и какие применимые нормы этих показателей для масел разного класса.

Плотность моторного масла при 15 градусах

Плотность не так часто используется при рассмотрении технических параметров масла, но это довольно важный параметр, от которого зависит, насколько хорошо масло будет создавать нужное давление, то есть как быстро и эффективно жидкость будет достигать всех деталей и обеспечивать им надежную смазку. От плотности зависит и качество отведения тепла маслом от деталей и охлаждения двигателя.

По сути от плотности зависит кинематическая вязкость, то есть саму кинематическую вязкость вычисляют, использую значение динамической вязкости и плотности масла. Поскольку температура влияет на плотность, для моторного масла температура измерения данного параметра равняется 15 градусам.

Плотность моторных масел должна быть в пределах 0,8-0,9 кг/м3, но бывают масла и с показателем в пределах 0,7-0,95 кг/м3.

Плотность отработанного масла

В целом плотность масла определяет тип основы и состав присадок. Плотность масла ниже, чем эталонная – то есть плотность дистиллированной воды, так как в смазке в большом количестве присутствуют легкие примеси. С пробегом эти примеси испаряются, а тяжелые наоборот накапливаются, из-за чего плотность отработки масла будет выше, чем у свежего. Измерение плотности – это хороший способ определение подделки. Некоторые подделки – это очищенные отработанные масла, но как бы их не очищали или не дополняли добавками, плотность все равно не вернется к первоначальному значению.

Как измеряется плотность

Плотность моторных масел измеряется по общим правилам физики – соотношение веса к объему, то есть кг/м3. Сама по себе плотность масла не так важна, если только вы не хотите проверить масло на подделку. Важнее сохранение этого параметра, то есть текучести, при изменении температур. Плотность моторных масел измеряется при +15 градусах, в то время как в двигателе температура меняется в широком диапазоне от плюса, до минусы при холодном пуске зимой. По этой причине при рассмотрении технических характеристик при оценке масла большее внимание уделяется динамической и кинематической вязкости, которые по сути являются производными от значения плотности.

Значение плотности для синтетики и минералки

По большому счету плотность масла зависит именно от типа основы. Минеральные масла гораздо гуще, поэтому менее стабильны при повышении температуры, чем синтетика. Для минералки диапазон плотности составляет 875-856 кг/м3. Для синтетики 840-860 кг/м3. Но, как я уже говорил выше, важна не сама плотность, а сохранение текучести при рабочей температуре, то есть кинематическая вязкость.

Кинематическая вязкость моторного масла при 40 и 100 градусах

О значении кинематической вязкости я уже писал в статье, где разбирал вязкость SAE, но немного освежу информацию и здесь. Чтобы вы понимали, что это за показатель, зайдем издалека. Масло в двигателе не сохраняет одну стабильную температуру, во время движения она постоянно меняется и может достигать 140-150 градусов. На приборную панель выводятся показания температуры охлаждающей жидкости, которая в норме не превышает 90 градусов, температура масла же в основном далека от этого показателя.

Как связана кинематическая вязкость и стандарт SAE J300

При нагреве масло становится жиже, и чем выше температура, тем выше текучесть масла. Стандарт SAE J300 прописывает значения вязкости разных марок масел при высоких и низких температурах. Об отрицательных температурах мы поговорим ниже.

Вторая цифра вязкости по SAE – это и есть высокотемпературное значение, то есть какая максимальная и минимальная вязкость при 40 и 100 градусах должна быть у масла, чтобы оно могло называться Xw-20, Xw-30, Xw-40 и т.д. Большинство водителей думает, что это указание на климат, при котором может использоваться масло, но это в корне не верное утверждение. Это показатель вязкости масла при рабочих температурах.

Зачем это нужно. Двигатели имеют совершенно разные конструкции, в зависимости от модификации, отличается расстояние между трущимися элементами, толщина масляных каналов. От текучести масла при рабочей температуре зависит толщина масляной пленки и проходимость его по масляным каналам, при недостаточной вязкости пленка будет недостаточно толстой, движущиеся детали трутся друг об друга и наступает их износ. При избыточной вязкости масло не сможет прокачаться по каналам и наступит масляное голодание, пленка на трущихся деталях будет слишком толстой, что приведет к перегрузке и перегреву. Речь идет о толщине, равной микронам, но все же для двигателя важны и такие значения.

Как измеряется кинематическая вязкость

Специальным прибором, который измеряет время, необходимое образцу для истечения при заданной температуре. Измеряется в мм2/с. Для масел разной вязкости по SAE приняты разные пороги вязкости при 40 и 100 градусах, чаще всего при оценке масла обращают внимание на вязкость при очень высокой температуре, то есть при 100 градусах по Цельсию. Посмотреть стандарты вы можете в таблице ниже.

Важно. Вязкость масла – это не показатель его качества, масла с разной вязкость предназначены для определенных конструкций ДВС. Проще говоря – что одному двигателю хорошо, то для другого смерть.

Динамическая вязкость HTHS

Этот параметр редко указывается производителем и определяется независимыми тестами. Он показывает динамическую вязкость при 150 градусах и высокой скорости сдвига – 10⁶с^-1.  Указывает на минимальное значение динамической вязкости, при которой масло создаст пленку необходимой толщины. Если объяснять проще, то в этом испытании создаются условия, приближенные к реальным при работе двигателя с высокой нагрузкой и проверяется способность масла защитить движущиеся детали при созданных условиях. Указанная скорость сдвига вискозиметра (прибора, на котором проходят испытания) равняется примерно 8-9 тысячам оборотов у двигателя. Какие параметры должны иметь масла разного класса вязкости по SAE, можно посмотреть в таблице ниже.

Кинематическая вязкость при выборе моторного масла

С этим все понятно, выбираем масла только в той категории вязкости по SAE, которая рекомендована производителем двигателя. Но здесь мы видим следующую картину: у каждого производителя свой показатель кинематической вязкости, который не выбивается за рамки стандарта SAE, но все же может иметь значительную разницу. Здесь тоже нельзя оценивать масла: больше – значит лучше.

Если кинематическая вязкость стоит на самой высокой границе стандарта, такое масло покажет высокие защитные качества, будет хорошо удерживаться на деталях (хотя эта способность зависит не только от вязкости), но при этом усилит сопротивление деталей, то есть вызовет перегрев и потребует бОльших затрат топлива для движения. Масла с вязкостью у нижней границы хорошо смажут детали, потребуют меньших затрат топлива для их движения, но при перегрузке могут не создать необходимую защиту, то есть подходят в основном для спокойной езды.

Вывод: выбираем масла в необходимом классе SAE по своим потребностям, для полуспортивной езды – погуще, для обычной езды – пожиже. Но не забывайте, что кроме показателя кинематической вязкости на степень защиты маслом двигателя влияют и остальные технические характеристики масла, которые мы рассмотрим далее.

Динамическая вязкость моторного масла CCS и MRV

Этот показатель определяет низкотемпературные характеристики масла и тоже относится к стандарту SAE J300, в нем обозначается первой цифрой и буквой W. Большинство водителей определяет применяемость масла в зимний период в своем климате только по этим двум символам в маркировке SAE, но по своему опыту могу сказать, что не стоит. Некоторые масла с маркировкой 10W могут иметь более выдающиеся низкотемпературные характеристики, чем масла 5W, если рассматривать показатели динамической вязкости. Этот показатель напрямую зависит от состава масла, то есть его основы. К примеру, большое влияние на низкотемпературные качества оказывает ПАО, синтетика лучше сохраняет текучесть в мороз, чем минеральные или полусинтетические масла. Так что при выборе смотрите на показатель динамической вязкости CCS или MRV – чем он дальше от верхнего порога, тем лучше.

CCS и MRV – что это и как определяется

И кратко определимся, что это за показатели. CCS (Cold Crank Simular) – имитация холодного пуска, определяет максимальную вязкость при заданной отрицательной температуре, которая позволит запустить двигатель штатными системами запуска. Вязкость CCS определяется при температурах от -10 до -35 градусов Цельсия, установленная температура зависит от класса масла по SAE, показатели для каждого класса можете посмотреть в таблице ниже.

MRV (Mini Rotary Viscometer) – тест на прокачиваемость. В данном случае определяется максимальная динамическая вязкость масла, при которой оно прокачается по каналам во все пары трения в момент пуска мотора. То есть первый тест определяет, при каких температурах пуск будет возможен, а второй тест – при каких он будет безопасен, без длительного масляного голодания деталей. Этот показатель определяется при температуре от -15 до -40 градусов Цельсия, тоже зависит от класса вязкости по SAE.

Учитывайте, что в тестах до указанной температуры остужается именно масло. В реальных условиях температура двигателя редко опускается до того же значение, что и температура окружающего воздуха. К примеру, если зимой у вас за окном -35 градусов, двигатель должен простоять без работы двое суток, чтобы масло в нем остыло до такой же температуры.

Индекс вязкости моторного масла

Указывается чаще всего трехзначным числом, гораздо реже двузначным, такие показатели индекса присущи минеральным маслам, которые уже практически не используются для легковых автомобилей.

Этот показатель редко берут для оценки масла, а напрасно, ведь именно он показывает, как будет меняться внутреннее трение в зависимости от температуры масла. То есть указывает на стабильность масла при высокой нагрузке. Чем выше индекс, тем стабильнее масло.

Рассчитывается индекс довольно сложно, для этого используется сложная формула, построенная на эмпирических расчетах, выведенных из двух эталонных смазок, в формулу вводят значения кинематической вязкости масла при 40 и 100 градусах Цельсия и получают необходимое значение.

Обычно индекс варьирует от 140 до 180 единиц, но есть некоторые масла с индексом сверх 200 единиц.

Например, это отдельная категория смазок японского производства, изготавливаются на основе ПАО или сложных эфиров с добавлением особого пакета присадок, но такие масла редко используются, так как применимы для небольшого количества модификаций двигателей.

При оценке индекса вязкости следует учитывать вязкость масла, чем оно жиже, тем выше индекс. Оценивать индекс проще всего в сравнении с конкурентами. К примеру, для масел 10W-40 индекс может быть в пределах 150-160 единиц, а для 5w-30 на уровне 160-180.

Вспышка и замерзание моторного масла

Высокотемпературные показатели масла измеряются не только кинематической вязкостью, есть еще такой параметр, как температура вспышки. Его определяют в отрытом или закрытом тигле, для масла используется метод открытого тигла, закрытый используется для топлива. К маслу приближают пламя газа и определяют, при какой температуре оно вспыхнет. Этот процесс зависит от количества накопленных паров, то есть испарений, которые и вспыхивают. То есть показатель вспышки указывает на летучесть масла и чистоту его основу.

Чем чище основа и чем меньше испаряется, тем выше будет вспышка. Хорошее масло должно иметь показатель вспышки от 225 градусов Цельсия.

Температура замерзания – это температура, при которой масло теряет свою тягучесть и подвижность. При застывании вязкость растет, кристаллизуется парафин в составе, масло становится твердым и пластичным. По этому показателю тоже можно оценивать поведение масла в мороз. Чем ниже температура замерзания, тем лучше. Как и в случае с динамической вязкостью, она зависит от состава масла и качества его основы.

Сульфатная зольность

Что определяет параметр сульфатной зольности

Сульфатная зольность – это содержание в масле различных твердых и неорганических соединений, которые образуются после сжигания смазочного материала. Определяется в процентах от общей массы масла.

Есть два понятия зольности – зольность базового масла и сульфатная зольность. Если объяснять просто, то обычная зольность указывает на чистоту базового масла, то есть сколько в самой базе без добавления пакета присадок содержится солей и несгораемых примесей. Сульфатная же зольность определяется для уже готового масла с добавленным пакетом присадок, и она определяет количество присадок и их состав, это относится к солям натрия, калия, фосфора и других веществ.

При рассмотрении характеристик масла зольность должна быть максимально низкой, чтобы оно могло называться качественным. По международным требованиям и нормам она не должна превышать 2%.

Почему так? В любом ДВС некоторое количество масла испаряется под воздействием высокой температуры, то есть угорает. Этот процесс приводит к тому, что несгораемые примеси, которые всегда есть в масле, оседают на стенках. То есть чем выше у масла зольность, тем больше будет этого налета. Особенно чувствительны к высокой зольности системы, оборудованные сажевыми фильтрами, для них можно использовать только масла из специальной категории LowSAPS – малозольные масла.

Как определяется сульфатная зольность готового масла

В лаборатории масло сжигают при температуре 775 градусов до образования твердых остатков, именно эта твердая масса и есть та самая зола, несгораемые остатки, которые оседают на стенках двигателя и забивают систему очистки выхлопных газов. Массу остатков соотносят с количеством тестируемого масла и выводят процентное соотношение.

Если говорить о зольности чистой основы, без присадок, то зачастую она не превышает 0,005%, в готовом же масле мы говорим о цифрах в 2%, эту разницу дают добавляемые в масло присадки. То есть мы получаем такую картину – чем «жирнее» пакет присадок в масле, тем больше будет золы. Так что рассматривать этот показатель можно двояко. С одной стороны, масло должны быть чистыми не оставлять отложений на двигателе. С другой стороны, высокая зольность говорит о богатом пакете присадок.

На что влияет сульфатная зольность

Кроме того, что высокое содержание сульфатной золы приводит к большому количеству налета внутри двигателя, она влияет на некоторые еще параметры масла. Зольность напрямую связана с щелочным числом моторного масла, о котором еще поговорим ниже. Количество золы прямо пропорционально количеству щелочи, то есть чем больше золы, тем больше щелочи и тем выше моющие свойства масел.

Количество зольных отложений при сгорании сказывается на температуре вспышки масла, о которой уже говорили выше. Особенно хорошо это заметно в отработке. Со временем присадки выгорают, и чем меньше их остается, тем ниже температура вспышки, то есть эксплуатационные качества масла падают.

Если говорить о самой конструкции автомобиля, то масла с большим количеством золы негативно сказываются на системе зажигания, затрудняют пуск в мороз, загрязняют элементы системы очистки выхлопа – катализаторы, сажевые фильтры, системы EGR. А малозольные масла, в свою очередь, не обеспечивают нужную защиту для нагруженных двигателей.

Классификация масел в зависимости от количества сульфатной золы

Классификация ACEA уделяет большое внимание сульфатной зольности масел и даже подразделяет их на категории, в зависимости от ее содержания в готовом составе:

• Full Saps – полнозольные смазки, допускается содержание золы в пределах 1-1,1%.
• Mid Saps – среднезольные смазки, допускается содержание золы от 0,6 до 0,9%.
• Low Saps – малозольные, менее 0,5%.

Зачастую производители размещают информацию на канистре масла о принадлежности масла к той или иной категории.

Общее щелочное число (TBN)

Во время работы двигателя в нем проходят химические и физические процессы, в результате которых молекулы топлива окисляются, образуется окись, и она крайне негативно сказывается на металлических частях двигателя, образует шлам, оседает на деталях, некоторые химические компоненты окиси участвую в процессах коррозии, разрушают резиновые уплотнители. Чтобы нейтрализовать образовывающуюся кислоту в масло добавляют химически активные присадки. Само по себе минеральное очищенное масло химически нейтрально.

Для повышения щелочности масла в него добавляют специальные присадки – детергенты, они частично нейтрализуют образующуюся кислоту и расщепляют на мелкие фракции, не дают сформироваться шламу. Щелочность падает с пробегом, чем больше пробег, тем ниже щелочное число и тем выше кислотное. Когда до их «встречи» остается небольшой зазор, масло теряет свою способность мыть и нейтрализовать и становится непригодным. Поэтому масла с большим щелочным числом считаются самыми лучшими и рабочими.

В современных маслах встречается показатель щелочи от 5 до 14 мгКОН/г. Хорошим показателем для бензиновых моторов считается 7-8 мгКОН/г, для дизельных от 9 – в дизельном двигателе сложней условия для масла, выше температура, больше серы в топливе. Безопасным использование масла считается до показателя TBN до 50% от показателя свежего масла. С появлением бензина с низким содержанием серы этот показатель немного снизился, сера – один из главных врагов масла, способствующих его окислению. Критический показатель для смены масла, когда щелочное число сравнивается с кислотным.

Для определения щелочного числа в свежем масле и в отработке используются разные методы. Для свежего масла ГОСТ 30050 или ASTM D 2896, для отработки ГОСТ 11362 или ASTM D 4739. Каждый метод «видит» щелочи разного типа, но иногда компании используют для анализа и отработки, и свежего ГОСТ 30050 или ASTM D 2896, это связано с внутренней политикой производителя.

Определение качества масла по щелочному числу двояко. С одной стороны, масло с низким числом быстрей сработается, потеряет свои свойства отмывать шлам. С другой стороны, обогащение состава присадок снижает щелочное число, то есть масла с богатым пакетом присадок могут иметь низкий показатель щелочи. Поэтому некоторые дешевые масла с высоким щелочным числом могут просто иметь бедный пакет присадок.

Общее кислотное число (TAN)

Кислота встречается не только в отработке масла, кислотные компоненты в небольшом количестве есть и в свежем масле и это нормально, обусловлено добавлением активных сернистых присадок. Поэтому в технических характеристиках масла и лабораторных анализах указывают общее кислотное число TAN.

Химические кислотные компоненты в новом масле слабо кислотные, они не оказывают негативного влияния на металл двигателя. Чаще всего они колеблются в пределах 1,5-3,0 мгКОН/г. При оценке кислотного числа в масле, опираемся на принцип – чем меньше, тем лучше. И обращаем внимание на количество щелочи. То есть если в масле щелочи 8, а кислоты 2, оно сработается быстрее, чем то, в котором при 2 мгКОН/г кислоты 10 щелочи.

Кислота в свежем масле зависит от пакета присадок, например, противоизносный пакет ZDDP дает довольно много кислоты. То есть чем жирнее пакет, тем больше будет кислотность и это нормально. В отработке кислоты тем больше, чем больше пробег, о чем говорили выше.

Содержание серы

Количество серы в свежем масле определяется как массовая доля, то есть в процентах. Этот показатель зависит от природы нефти, из которой готовили базу, от качества ее очистки. Современные методы очистки позволяют создавать масла с низким содержанием серы.

По количеству серы в анализе можно определить степень очистки базы и используемый пакет присадок – на сульфонатах кальция или на салицилатах кальция. В первом случае серы будет до 0,400%, во втором 0,200-0,260%. Если серы более 0,500%, это чаще всего говорит о том, что в базе есть минеральное масло первой группы, чаще всего встречается в полусинтетике с высокой вязкостью.

Испарение масс NOACK

Этот показатель определяется как количество испарившегося масла в течение 1 часа при температуре 250 градусов Цельсия и постоянном потоке воздуха. Измеряется в процентах. Чем ниже этот показатель, тем выше стабильность масла при высоких температурах и тем меньше будет его расход. Стоит обращать внимание, что NOACK зависит от вязкости масла, чем она выше, тем ниже NOACK. Кроме вязкости на испаряемость влияет химический состав, поверхностная адгезия, наличие полимерных загустителей и другое.

По NOACK можно определять качество масла, этот показатель ограничивают требования международных стандартов ACEA, API, допусков автопроизводителей. По NOACK можно делать выводы о составе масла. А вот судить о расходе масла по этому показателю можно только косвенно, так как расход зависит не только от испарения, но и еще от множества факторов.

Присадки

Молибден – модификатор трения, антиоксидант, за счет уменьшения трения снижает шум от работы двигателя. Чаще всего встречается в маслах с американскими стандартами API и ILSAC, но иногда встречается и в европейских маслах. В свежих стандартных маслах содержание молибдена обычно колеблется в пределах 50-75ppm. На данный момент это один из самых эффективных модификаторов трения.

Фосфор – противоизносная присадка из пакета ZDDP. Может встречаться и в модификаторах трения MoDTP.

Цинк – еще один компонент ZDDP.

Барий – встречается в составе очень редко, но может использоваться в качестве моющего и диспергирующего компонента, ингибитора коррозии.

Бор – беззольный дисперсант сукцинимида бора, удерживает продукты сгорания во взвешенном состоянии, имеет высокие моющие и нейтрализующие качества. Бор выступает и в качестве растворителя для противоизносных и антифрикционных присадок. С пробегом его количество в масле снижается.

Магний – моющий, нейтрализующий и диспергирующий компонент, в масле присутствует в виде сульфоната магния или салицилата магния (более современный). Сульфонаты магния считается не такими эффективными, как детергенты на основе кальция, они содержат много серы и не так эффективно нейтрализуют кислоты в сравнении с кальцием.

Кальций – входит в состав масел в качестве моющих и нейтрализующих присадок. Чаще всего встречается сульфонат кальция или салицилат кальция. Отмывает загрязнения и удерживает их во взвешенном состоянии. Определить большое количество сульфоната кальция можно по высокому содержанию серы и высокой зольности. Салицилат кальция показывает низкую золу и серу, при этом самого кальция в анализе тоже будет меньше в сравнении с сульфонатом кальция, иногда в половину меньше.

Натрий – еще один моющий компонент, который в масле используется в виде сложных соединений сульфоната натрия и салицилата натрия. В некоторых маслах встречается в сочетании с кальцием, так как эта пара дает меньшую зольность. Есть соединения натрия, которые используются и как противоизносная присадка.

Титан – некоторые моторные масла содержат соединения титана в качестве противоизносной присадки, снижает трение и износ. Соединения титана приходят на смену пакета ZDDP, так как является более экологичными, то есть лучше совместимы с катализаторами выхлопных газов.

Кремний – чаще всего встречается в отработке, но попадается и в анализе свежего масла, входит в состав в качестве антипенной присадки.