Кинематическая и динамическая вязкости масел
Вязкость (viscosity). Вязкость - это внутреннее трение или сопротивление течению жидкости. Вязкость масла, во-первых, является показателем его смазывающих свойств, так как от вязкости масла зависит качество смазывания, распределение масла на поверхностях трения и, тем самым, износ деталей. Во-вторых, от вязкости зависят потери энергии при работе двигателя и других агрегатов. Вязкость - основная характеристика масла, по величине которой частично делается выбор масла для применения в конкретном случае.

Вязкость масла зависит от химического состава и структуры соединений, составляющих масло, и является характеристикой масла как вещества. Кроме этого, вязкость масла также зависит и от внешних факторов - температуры, давления (нагрузки) и скорости сдвига, поэтому рядом с числовым значением вязкости всегда должны указываться условия определения вязкости.

Условия работы двигателя определяют два основных фактора, влияющих на определение вязкости - температура и скорость сдвига.
Вязкость масел определяется при температурах и скоростях сдвига, близких к реальным при эксплуатации. Если масло должно работать при низкой температуре(даже в течение короткого времени), то при этой же температуре должны быть определены и его вязкостные свойства. Например, на все автомобильные масла, предназначенные для применения зимой, должны приводиться низкотемпературные характеристики.

Вязкость масла определяется при помощи двух основных типов вискозиметров (viscometers):
- вискозиметры истечения, в которых измеряется кинематическая вязкость -по скорости свободного течения (времени вытекания). Для этой цели применяется капиллярный вискозиметр (capillary viscometer) (рис. 2.2а) или сосуды с калиброванным отверстием на дне - вискозиметры Энглера (Engler) (рис. 2.26), Сей-болта (Saybolt), Редвуда (Redwood), ВЗ-4 (ГОСТ 26378.3-84); в настоящее время для стандартных определений применяется стеклянный капиллярный вискозиметр; он отличается простотой и точностью определения; скорость сдвига в таком вискозиметре незначительна;
- ротационные вискозиметры (rotational viscometers), в которых определяется динамическая вязкость по крутящему моменту с установленной скоростью ротора или по скорости вращения ротора при заданном крутящем моменте.

Вязкость характеризуется двумя показателями - кинематической (kinematic viscosity) и динамической вязкостью (dynamic viscosity). Единицы измерения динамической вязкости: h - пуаз (Р - poise) или сантипуаз сР (сР = mPa-s). Динамическая вязкость обычно определяется ротационным вискозиметром. Кинематическая вязкость, n -отношение динамической вязкости к плотности (h/r). Единицы измерения кинематической вязкости - стоке (St - stoke) или сантистокс (cSt - centistoke. 1 cSt = 1 мм2/c). Численные значения кинематической и динамической вязкости несколько различаются, в зависимости от плотности масел. Для парафиновых масел кинематическая вязкость при температуре 20 - 100°С превышает динамическую примерно на 15 - 23%, а для нафтеновых масел эта разница составляет 8 - 15%.

Кинематическая вязкость характеризует текучесть масел при нормальной и высокой температурах. Методы определения этой вязкости относительно просты и точны. Стандартным прибором в настоящее время считается стеклянный капиллярный вискозиметр, в котором измеряется время истечения масла при фиксированной температуре. Стандартными температурами являются 40 и 100 °С.

Относительная вязкость определяется на вискозиметрах Сейболта. Редвуда и Энглера. Это сосуды с калиброванным отверстием на дне, через которое вытекает точно установленное количество масла. При измерении времени вытекания заданная температура масла в вискозиметре должна поддерживаться с необходимой точностью. Универсальная вязкость Сейболта, определяемая по стандарту ASTM D 88, выражается в универсальных секундах Сейболта SUS (Saybolt Universal Seconds). Этот упрощенный метод определения кинематической вязкости более широко применяется в США. В Европе чаще пользу-ются секундами Редвуда (Редвуда единицы - Redwood units) и градусами Энглера (Е°, Engler units). Градус Энглера - это число, показывающее во сколько раз вязкость масла превышает вязкость воды при 20°С, поэтому вискозиметром Энглера необходимо измерить время вытекания воды при 20°С.

Динамическая вязкость обычно определяется ротационными вискозиметрами. Вискозиметры разной конструкции имитируют реальные условия работы масла. Обычно выделяются крайние значения температуры и скорости сдвига. Основные методы определения вязкости моторных масел предусмотрены спецификацией SAE J300 APR97. Эта спецификация устанавливает значения степеней вязкости SAE .ия моторных масел и определяет порядок измерения необходимых параметров вязкости. Стандартные методы определения динамической вязкости можно разделить на две группы - низкотемпературная вязкость и высокотемпературная вязкость, определяемые в условиях близких к реальным условиям эксплуатации двигателя.

Характеристики низкотемпературной вязкости (low temperature viscosity):
- максимальная низкотемпературная вязкость, обеспечиваюшая запуск холодного двигателя (maximum low-temperature cranking viscosity), определяется при помощи имитатора запуска холодного двигателя CCS (Cold Cranking Simulator) (ASTM D 5293) (рис. 2.3a);
- максимальная низкотемпературная вязкость, обеспечиваюшая прокачивание масла в двигателе (maximum low-temperature pumping), определяется при помощи мини-ротационного вискозиметра MRV (Mini-Rotary Viscometer) по методике ASTM D 4684 (рис. 2.3в);
- в качестве дополнительной информации о низкотемпературной вязкости, могут быть определены граничная (предельная) температура прокачивания по ASTM D 3829 (borderline pumping temperature) и вязкость при низкой температуре и низкой скорости сдвига (low temperature, low shear rale viscosity), так называемая тенденция к жаеобразоваиию или индекс желирования (gelation index). Определяется на сканирующем вискозиметре Брукфильда по методике ASTM D 5133 (Scanning Brookfield method);
- фильтруемость (ftlterability) моторных масел при низкой температуре показывает тенденцию образования твердых парафинов или других неоднородностей, приводящих к закупориванию масляного фильтра. Некоторое влияние на фильтруемость может оказать наличие воды в холодном масле. Фильтруемость моторных масел определяется по стандарту "General Motors" GM 9099Р "Тест на определение фильтруемости моторного масла" (Engine Oil Filterability Test - EOFT) и оценивается как снижение потока в %.

Характеристики высокотемпературной вязкости (high-temperature viscosity):
- кинематическая вязкость, определяемая на стеклянном капиллярном вискозиметре при 100°С и низкой скорости сдвига (ASTM D 445);
- вязкость при высокой температуре и высокой скорости сдвига HTHS (high temperature high shear viscosity), определяемая при 150°C и скорости сдвига 106 с-1.
- стабильность к сдвигу (shear stability) – это способность масла сохранять стабильную вязкость при продолжительном воздействии высокой деформации сдвига.

Вязкостно-температурные характеристики 
С повышением температуры вязкость масла понижается. Характер изменения вязкости выражается параболой (рис. 2.6а). Такая зависимость неудобна для экстраполяции и для расчетов вязкости. Поэтому кривую зависимости вязкости от температуры строят в полулогарифмических координатах, в которых эта зависимость приобретает практически прямой характер (рис. 2.6 б).

Индекс вязкости VI (viscosity index) - это эмпирический, безразмерный показатель для оценки зависимости вязкости масла от температуры. Чем выше численное значение индекса вязкости, тем меньше вязкость масла зависит от температуры и тем меньше наклон кривой (рис. 2.8).

Масло с более высоким индексом вязкости имеет лучшую текучесть при низкой температуре (запуск холодного двигателя) и более высокую вязкость при рабочей температуре двигателя. Высокий индекс вязкости необходим для всесезонных масел и некоторых гидравлических масел (жидкостей). Индекс вязкости определяется (по стандартам ASTM D 2270, DIN ISO 2909) при помощи двух эталонных масел. Вязкость одного из них сильно зависит от температуры (индекс вязкости принимается равным нулю. VI=0), а вязкость другого - мало зависит от температуры (индекс вязкости принимается равным 100 единиц, VI =100).. При температуре 100°С вязкость обоих эталонных масел и исследуемого масла должна быть одинаковой. Шкала индекса вязкости получается делением разницы вязкостей эталонных масел при температуре 40°С на 100 равных частей. Индекс вязкости исследуемого масла находят по шкале после определения его вязкости при температуре 40°С, а если индекс вязкости превышает 100, его находят расчетным путем (рис. 2.8).
 

Индекс вязкости сильно зависит от молекулярной структуры соединений, составляющих базовые минеральные масла. Наивысший индекс вязкости бывает у парафиновых базовых масел (около 100), у нафтеновых масел значительно меньший (30 - 60), а у ароматических масел - даже ниже нуля. При очистке масел их индекс вязкости, как правило, повышается, что в основном связано с удалением из масла ароматических соединений. Высоким индексом вязкости обладают масла гидрокрекинга. Гидрокрекинг является одним из основных методов получения масел с высоким индексом вязкости. Высокий индекс вязкости у синтетических базовых масел: у полиальфаолефинов - до 130, у полиалкн-ленгликолей - до 150, у сложных полиэфиров - около 150. Индекс вязкости масел можно повысить введением специальных присадок - полимерных загустителей.