Низкотемпературные свойства моторных масел: Температура застывания, динамическая вязкость CCS и MRV.

В нашей стране, где более половины территории находятся в климатических зонах с зимами с октября по май и февральскими морозами по 30 -40 градусов проблема холодного пуска автомобиля стоит как никогда остро. Поэтому рассказы «бывалых» о кострах под картерами автомобилей являются подлинными историями, а во многих советских брошюрах – сборниках советов автомобилисту рекомендовалось доливать в маслобак бензин и керосин, при необходимости завести машину в мороз.
В наше время весь этот «багаж» народных способов смешался фантазиями креативщиков – авторов рекламы про умные молекулы в моторном масле и прочую чушь. Поэтому даже в среде продвинутых потребителей и инженеров существуют несколько не совсем верных представлений о том, что такое низкотемпературные свойство масел и какие из них наиболее важные. Так же не совсем очевидна связь между составом смазочных материалов и их качеством.
Попробуем сначала разобраться, что мы собственно хотим от масел в условиях долгой и холодной зимы. Во-первых, и это бесспорно самое главное для всех – нам надо завести двигатель в сильный мороз. Не смотря на то, что вклад в запуск и не запуск двигателя вносят множества факторов, среди которых, например  — состояние аккумулятора, свечей зажигания, качество топлива и уровень фильтров, существенный  вклад в легкий запуск двигателя, вносит моторное масло.

Схема смазочной системы с мокрым картером: /— слив масла в поддон, // — подача масла в радиатор, /// — слив масла из радиатора в поддон, 1 — поддон блок-картера, 2 — маслозаборник, 3 — предохранительный клапан радиаторной секции насоса, 4 — редукционный клапан нагнетательной секции насоса, 5 — радиаторная секция насоса, 6—нагнетательная секция насоса, 7— перепускной клапан фильтра грубой очистки масла; 8—фильтр грубой очистки масла, 9—центробежный фильтр тонкой очистки масла,10— маслозаливная горловина, 11 — главная масляная магистраль, 12 — сливной клапан
Как происходит пуск двигателя? Аккумулятор питает электрическим током стартер, и то преобразует постоянный ток в крутящий момент, который приводом передается на вал. Вал соединен ремнем с маслонасосом.   Если удалось прокрутить вал и запуск прошел успешно, маслонасос начинает работать, масло миную сетку впускного отверстия, клапан и масляный фильтр поступает на вал Задача маслонасоса прокачать масло к  опорам распределительного вала, верхней опоре шатуна для смазки поршневого пальца. Далее через специальные форсунки на рабочую поверхность цилиндра, и остальные части в виде масляного тумана.
Какие препятствия этому нормальному процессу может представить чрезмерно охладившееся моторное масло?
⦁ Замершие остатки масла не дадут провернуться коленчатому валу. Для прокрутки валу требуется очень большое сдвиговое усилие. В то же время вязкость масла сильно увеличивается при отрицательных температурах, масло становиться похоже на желе. Чем меньшее усилие требуется чтобы провернуть вал в замерзающем масле, тем ниже должен быть ток подающийся на стартер. Вот почему старый аккумулятор не единственный виновник того что ваш двигатель не запускается на морозе. Загустевшее масло, легко кладет «ослабевший» на холоде аккумулятор на лопатки
⦁ Коленчатый вал провернулся, но масло не может прокачаться. Мы уже сравнивали моторное масло при низких температурах с желе. Желе можно без труда зачерпывать и есть ложкой, но что будет если мы попытаемся высосать его трубочкой? Мы не съедим ни грамма! Дело в том, что фруктовое желе, как и масло – неньютоновские жидкости. И вязкость их зависти от скорости внешнего воздействия (т.е. момента силы). Не смотря на то что при вязкость масла оказалась достаточно низкая, что прокрутился «медленный» вал, для быстрых шестерней маслонасоса и движению по узким каналам маслосистемы вязкость будет чересчур высокой. В результате двигатель будет работать в условиях масляного голодания что чревато повышенным износом, а в худшем случаем поломкой в результате заедания. Не зря во многих брошюрах для автовладельцев сравнивают один холодный запуск двигателя с 200 км пробега.
⦁ Еще одну опасность представляют кристаллы парафина. Известно, что масло – это не однородное вещество, а сложная структура, состоящая из молекул разного веса и строения. Некоторые молекулы – такие как парафины прямого строения могут кристаллизоваться раньше других при низких температурах, и укрупняться образую крупные частицы агломераты. В результате кристаллы парафинов будут забивать сетку маслоприемников, фильтры, что будет снижать текучесть масла и в конечном результате приведет к тому же опасному масляному голоданию.
⦁
Таким образом от моторного масла требуется сразу три низкотемпературные характеристики.
⦁ создавать как можно меньшее сопротивление прокрутке коленчатого вала
⦁ хорошо прокачиваться маслонасосом по узким трубкам масляной системы
⦁ не образовывать кристаллы парафинов
Поскольку не всегда есть возможность выезжать в поля и тестировать новые рецептуры масел на реальных двигателях в условиях крайнего севера, инженеры разработали ряд тестов определяющих насколько хорошо масло справиться с холодным пуском.
Первое испытание – «Проворачиваемость». Для его проведения использую имитатор холодного пуска CCS . Прибор представляет собой низкотемпературную баню, куда погружены миниатюрный электродвигатель, соединенный с ротором, установленный внутри статора с очень малым зазором от его стенки. Объем между ротором и статором заполнен маслом, характеристики которого и необходимо измерить. После охлаждения масла до нужной температуры, запускается электродвигатель и ротор начинает вращаться. Причем чем гуще масло, тем скорость вращения ниже. Собственно, измеряя эту скорость прибор и рассчитывает низкотемпературную вязкость CCS. Единица измерения   — мПа с
Второе испытание прокачиваемость на миниротационном вискозиметре MRV Испытание проводят при температуре на 5 °С ниже чем CCS что бы быть уверен в том, что масляный насос не будет качать воздух.

Ротационный вискозиметр MRV
Миноритарный вискозиметр — MRV, который связан с механизмом прокачиваемость масла, является измерением при низкой скорости сдвига. Устройство прибора практически не отличается от теста CCS, объект исследования все таже динамическая вязкость жидкостей, за исключением размеров ротора и скорости вращение. Особенность метода — медленная скорость охлаждения образца.  Дело в том, что масло при низких температурах становиться настолько сложной структурой что его кажущая вязкость зависит в том числе от так называемой тепловой истории. Тое есть при чем медленнее происходит охлаждение, тем вязкость ниже
Образец подготавливается так, чтобы иметь определенную тепловую предысторию, которая включает нагревание, медленно охлаждение, и циклы пропитки. MRV измеряет кажущееся остаточное напряжение, которое, если большее чем пороговое значение, указывает на потенциальную проблему отказа прокачивания, связанную с проникновением воздуха. Выше некоторой вязкости (в настоящее время определенной как 60000 сПуаз по SAE J 300), масло может быть вызвать отказ прокачиваемости по механизму, называемому «эффект ограниченного потока». Масло SAE 10W, например, должно иметь максимальную вязкость 60000 сПуаз при -30oC без остаточного напряжения
Испытание на температуру застывания – отличается тем что воспроизвести его можно и в «домашних условиях» если за окном сильные морозы. Суть теста проста, образец должен быть охлажден в стакане до нужной температуры, затем стакан надо наклонить на 45°. Если граница соприкосновения масла и воздуха при этом не сдвинулась с места, можно констатировать, что жидкость полностью перешла в твердое состояние.
Необходимо помнить, что результат так же как тесте MRV зависит от «тепловой истории». В лабораторном испытании   охлаждение происходит в течении 10-20 минут. За это время кристаллы парафина не успевают собираться в крупные структуры. Если же мы поставим банку масла за окно вечером, а ночью как следует подморозит, время охлаждения будет существенно больше, кристаллы парафина затвердеют при более высокой температуре. (Оказывает влияние коэффициент охлаждения) Результат может отличаться от лабораторного на 5 – 10 °С!
Следующий момент–производители масла снижают температура застывания благодаря присадке-депрессору. Суть работы этой присадки – она не дает парафину укрупняться, увеличивать плотность, создавая псевдокристаллические структуры. Снижения динамической вязкости CCS   производители масел добиваются подбором нужного базового масла и полимера-загустителя. Поэтому температура застывания и низкотемпературная вязкость могут быть никак не связаны между собой. Более того чрезмерное увеличение депрессора в рецептуре масло, может приводить к увеличению вязкости CCS. Это значит, что на масле с очень низкой температурой застывания двигатель не заведётся, даже если температура воздуха будет на 10 градусов выше.
Для удобства выбора масла Сообщество автомобильных инженеров SAE разработало «классы вязкости». По сути «зимний» класс вязкости – это норматив по вязкости кинематической, прокачиваемости и проворачиваемости масла. Зная технические параметры двигателя, системы пуска, маслонасоса, фильтров и маслотрубок производители двигателя определяют какие критерии прокачиваемой и проворачиваемой будут достаточны при той или иной температуре и исходя из этого дают рекомендации по классу вязкости. Потребителю остается четко следовать инструкции и покупать нужное масло.
На этом в принципе можно было и закончить статью, но напоследок приведу некоторые интересные детали, которые также помогут в оценке низкотемпературных свойств масел.
Сравнение CCS масел
Во-первых, многие производители могут жульничать, и экономить на компонентах масла, но указывать класс масла, в котором цены на продукт выше, даже если они не выполняют один или несколько критериев для соответствия этому классу. Во-вторых, если даже два масла соответствуют одному классу, то у одного показатели прокачиваемость проворачиваемости, могут находиться на самой границе, а у другого значительно превосходить норму. На практике это будет означать что на масле с лучшими низкотемпературными характеристиками, машина будет заводиться легче даже при не молодом аккумуляторе, и износ двигателя при зимних стартах будет значительно ниже. Поэтому кроме класса SAE всегда следует обращать внимание на характеристики прокачиваемость MRV, проворачиваемости CCS, температуры застывания указные в технических описаниях на масла, паспортах качества, а результаты физико-химического анализа масел в независимых лабораториях.
Важно также, что тесты не учитывают тепловую историю масла, а также не учитывают изменение свойств при долговременной его эксплуатации в двигателе. Поэтому помимо приведенных выше испытаний существуют и более сложные низкотемпературные тесты. Это динамическая вязкость, температура зазывания и фильтруемость масла при долговременном и неравномерном охлаждении, а также после искусственного состаривания масла в испытательном двигателе в том числе при попадании воды. Эти тесты входят в сиквенсы ACEA и API и их проходят одобренные, автопроизводителями пакеты присадок и базовые масла. Так что, если производитель масел получил спецификации и допуски честно, и они соответствуют тому что указано в вашей сервисной книжке, скорее всего низкотемпературные характеристики будут лучше и оставаться неизменными на протяжении всего межсервисного интервала.