Исследование зависимости вязкости моторного масла от температуры

Томск - это город, в котором зима бывает очень суровой. И ежегодно среди автомобилистов возникает проблема сложного, а порой и невозможного, запуска двигателя автомобиля в зимних условиях. Эта проблема может возникнуть по ряду причин. Когда двигатель холодный, наоборот, масло обладает тенденцией сгущаться.  И, как следствие,  невозможность прокрутки вала двигателя. Моторное масло играет важнейшую роль в эксплуатации двигателя автомобиля. Его основная задача — это смазка. Моторное масло разных видов и сортов отличается по характеристикам, определяющим сферу их применения. В зависимости от характеристик, масло рекомендуется для использования в разных типах двигателей, работающих в различных условиях и температурных режимах. Для покупателей наибольшую важность представляют два показателя: вязкость (позволяет определить, подойдет ли масло для определенного сезона и климата) и допуск (подходит ли масло для данного автомобиля). Причем даже для одного и того же типа масла, но разных марок показатель вязкости может отличаться в зависимости от температурных условий. Исходя из этого, нами была поставлена следующая цель: исследование зависимости вязкости моторных масел различных марок от температуры.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

1. Изучить классификацию моторных масел;
2. Изучить характеристики моторных масел;
3. Определить вязкость моторных масел при различных (низких) температурах;
4. Сформулировать рекомендации автомобилистам по применению различных масел при низких температурах.

Объект исследования: моторное масло.

Предмет исследования: вязкость.

Методы исследования.

Теоретические: анализ информации по темам “Моторные масла”, “Характеристики моторных масел”, “Вязкость и способы ее измерения”.

Практические: эксперимент по определению вязкости (кинематической и динамической) моторных масел при различных температурах.

В ходе исследования были получены следующие результаты.

Моторное масло - это смазочный материал, который используется с целью уменьшения трения в движущихся частях двигателей внутреннего сгорания.

Первое в мире моторное масло было запатентовано в 1873 году американским доктором Джоном Эллисом. В 1866 году Эллис изучал свойства сырой нефти в медицинских целях, но обнаружил, что сырая нефть обладает хорошими смазочными свойствами. Джон Эллис зарегистрировал Valvoline — первый в мире бренд моторного масла.

Моторное масло разделяется на три типа: минеральное, синтетическое и полусинтетическое.

Существует классификация масел по вязкостно-температурным свойствам и классификация масел по эксплуатационным свойствам (назначению и качеству). В настоящее время единственной признанной во всем мире системой классификации транспортных масел по вязкости является спецификация SAE (Американская ассоциация автомобильных инженеров).

Норма SAE J 300 определяет степень вязкости для каждого смазочного материала.

SAE J-300 содержит 6 зимних классов и 5 летних классов моторных масел.

Классы вязкости SAE OW, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W относятся к зимним, а SAE 20, 30, 40, 50, 60 — к летним.

Надежность работы двигателя во многом определяется выбором масла с оптимальной вязкостью.

Вязкость - это одна из важнейших характеристик масел, которая характеризует внутреннее трение, определяет текучесть и способность обеспечить жидкостной режим смазывания. Различают кинематическую и динамическую вязкость.

Кинематическая вязкость, характерная для простых масел при положительных температурах, определяется в капиллярных вискозиметрах, а динамическая - для загущенных (всесезонных) масел и масел при отрицательных температурах, определяется в ротационных вискозиметрах, ее величина зависит не только от температуры, но и от градиента скорости сдвига. 

Динамическую вязкость представляет собой произведение кинематической вязкости на плотность жидкости, в технической системе ее измеряют в сантипуазах (сП), а в системе СИ - в миллиПаскаль-секундах (мПа-с), где 1 сП= 1 мПа-с. Это сопротивление, которое оказывает жидкость при относительном перемещении            двух ее слоев поверхностью 1 м², находящихся на расстоянии 1 м друг от друга и перемещающихся под действием внешней силы в 1 Н со скоростью 1 м/с.

Кинематическую вязкость в технической системе единиц измеряют в Стоксах (Ст) или сантистоксах (сСт), а в системе СИ в м²/с или в мм²/с. Кинематической вязкостью [ν] называется величина, равная отношению динамической вязкости жидкости [μ] к ее плотности [ρ] при той же температуре: ν = μ/ρ.

В ходе эксперимента была измерена динамическая (методом Стокса) и кинематическая (вискозиметром ВПЖ-2, d=1,77 мм) вязкость при различных температурах для следующих марок масла:

1. ZIC XQ 5w40
2. Helix HX7 5w40
3. Castrol Magnatec 5w40

Кинематическая вязкость определялась по следующей формуле:

K - постоянная вискозиметра (1,022 )

T - время истечения жидкости, с

ν - кинематическая вязкость жидкости, мм²/с

g - ускорение свободного падения (м/с²)

Результаты измерений показаны в таблице 1.

Таблица 1. Кинематическая вязкость (вискозиметр)

Таким образом, можно сделать следующие выводы: 1) вязкость масла увеличивается с понижением температуры; 2) Из всех марок масел меньше всего увеличилась вязкость  Castrol Magnatec.

Динамическая вязкость (Па*с) определялась по следующей формуле:

t – время падения, с

r – радиус шарика, м

R₀– радиус сосуда, м

l – высота падения, м

ρ – плотность шарика, кг/м³

ρ₀ – плотность жидкости, кг/м³

Для измерения вязкости использовалась следующая установка (рис. 1).

Значения динамической вязкости представлены в таблице 2.

ρ = 8900 кг/м³

l = 0,14 м

r = 2 мм

R₀ = 0,015 м

Значения плотности масел:

Плотность масла ZIC XQ (при всех температурах): 1660 кг/м³.

Плотность масел Helix HX7 и Castrol Magnatec (при всех температурах): 1760 кг/м³.

Таблица 2. Динамическая вязкость (метод Стокса)

Таким образом, можно сделать вывод, что при понижении температуры динамическая вязкость увеличивается. Причем у масла Castrol Magnatec интенсивнее, чем у ZIC и Helix.

Динамическая вязкость важна при определении низкотемпературных свойств смазок, но её редко применяют при анализе масла или для определения  класса вязкости. По многим разным причинам, исследователя масла интересует кинематическая вязкость. А по этому показателю лучшие свойства показало масло Castrol Magnatec. Но сказать, что остальные масла более худшего качества нельзя. Их показатели вязкости незначительно отличаются от Castrol Magnatec и все значения укладываются в рамки допустимых производителем.

Следует отметить, что эффективность работы мотора зависит не от абсолютного значения вязкости при определенных температурах, а от динамики ее изменений при работе в определенных диапазонах рабочих температур, а также соответствие этой динамики конструкции данного двигателя. Если двигатель рассчитан на параметры авто-масла 5w30, тогда моторное масло с маркировкой 0w20 не подходит и его заливать нельзя, а с маркировкой 5w40 не рекомендуется. Значит, использовать то авто-масло, которое подходит согласно требованиям производителя двигателя, но ни в коем случае не рекомендациям изготовителя авто-масла.

В целом по маслам можно дать следующие рекомендации:

−          перечень марок масел, допущенных к применению, постоянно изменяется, получают допуск новые марки, некоторые его теряют;

−          температурный диапазон применения, указанный на упаковке масла, носит лишь рекомендательный характер;

−          не стоит оценивать масла по цвету, большинство вводимых в него присадок делают его более темным;

−          замену масла при тяжелых условиях эксплуатации необходимо производить в 1,5—2 раза чаще, тоже рекомендуется делать для автомобилей со значительным пробегом, так как условия его работы в изношенных двигателях более жесткие, в частности из-за окисляющего действия сгоревших газов, попадающих в масляный катер;

−          быстрое (через 1—2 тыс. км пробега) почернение масла не обязательно указывает на потерю его эксплуатационных свойств;

−          доливать следует тот же сорт масла, который залит в двигатель, так как масла разных производителей содержат различные пакеты присадок и смешивание может ухудшить их свойства;

−          нежелательно смешивать минеральные и синтетические масла, а также доливать минеральное в полусинтетическое из-за разной растворимости присадок в минеральной и синтетической основах;

−          если неизвестно, что использовал прежний владелец автомобиля, перед заменой желательно промыть систему смазки;

−          добавление в моторное масло различных препаратов может улучшить одни его свойства и резко ухудшить другие.