Õli viskoossus: mis see on?
Ühikud ja valemid | Sõltuvus temperatuurist | Viskoossusindeks | Viskoossusklassid
Viskoossus kirjeldab vedeliku voolavust ehk täpsemalt vastupanuvõimet voolamisele, mis on tingitud vedeliku osakeste sisehõõrdumisest. Viskoossus on üks tähtsamaid vedeliku füüsikalisi suurusi. Õli kasutusalad ja -võimalused määrab muu hulgas ära viskoossus. Samas ei ole viskoossus õli kvaliteedi näitaja. Viskoossus kirjeldab kõigest õli võimet moodustada hõõrdepaari vahele teatud omadustega määrdeainekelme.
Vedeliku sisehõõrdumist võib endale ette kujutada kahe üksteise peal asuva ja üksteisega läbipõimunud molekulikihi liikumisena. Liikumisel libisevad molekulid üksteisest mööda. Molekulidevahelise külgetõmbejõu ületamiseks on vaja energiat. Viskoossus väljendab selle energia ja vedeliku omaduste suhet.
Viskoossus on tuletatud ladinakeelsest sõnast viscum, mis tähistas puuvõõriku marjade venivat mahla. Kuna puuvõõriku marjade mahl oli nii paks ja kleepuv nagu liim, kasutati seda lindude püügiks. Viskoosne tähendas seega algupäraselt „veniv nagu linnuliim“.
Viskoossuse ühikud ja valemid
Viskoossuse arvutamisel tehakse vahet dünaamilisel ja kinemaatilisel viskoossusel. Dünaamiline viskoossus on nihkepinge ja voolusuunaga ristisuunas võetud kiirusgradiendi suhe. Seda nimetatakse ka vedeliku voolamistakistuseks. Kinemaatiline viskoossus on dünaamilise viskoossuse ja tiheduse jagatis.
| Dünaamiline viskoossus | Kinemaatiline viskoossus | |
|---|---|---|
| tähis | η | ν |
| ühik | Pa·s | mm²/s |
Vedeliku viskoossust saab mõõta vastavalt ISO 3219 standardile viskosimeetriga. Teine võimalus on kasutada mõõtmiseks reomeetrit.
Erinevalt õlidest mõõdetakse määretel viskoossuse asemel konsistentsi. Selleks kasutatakse mõõtmismeetodina penetratsioonikatset.
Viskoossuse näited
Järgnevas tabelis on välja toodud tüüpilised vedelikud ja nende viskoossused. Nii on võimalik erinevaid aineid paremini klassifitseerida.
| Vedelik | η (mPa·s) |
|---|---|
| vesi 20 °C juures | 1,0 |
| vesi 25 °C juures | 0,891 |
| vesi 5 °C juures | 1,52 |
| elavhõbe 20 °C juures | 1,55 |
| etanool 20 °C juures | 1,19 |
| bensiin 40 °C juures | ca 0,5 |
| diisel 40 °C juures | ca 3,1 |
| mootoriõli 25 °C juures | ca 100 |
| mootoriõli 150 °C juures | ca 3 |
| kütteõli 20 °C juures | ca 4-6 |
| bituumen 20 °C juures | ca 1011 |
| oliiviõli 20 °C juures | ca 10² |
| mesi 20 °C juures | ca 104 |
| veri 37 °C juures | ca 4-25 |
Viskoossuse sõltuvus temperatuurist
Vedeliku viskoossus sõltub alati temperatuurist. Koos temperatuuri tõusmisega väheneb vedeliku dünaamiline viskoossus. Temperatuuri langedes suureneb dünaamiline viskoossus. See tähendab seda, et soojaga muutub vedelik vähem viskoosseks (vedelamaks) ja külmaga viskoossemaks (paksemaks). Kinemaatilise viskoossuse ja temperatuuri vahelise seose määrab õlide puhul ära viskoossusindeks. Õlide viskoossus sõltub alati temperatuurist, kuid see, mil määral viskoossus temperatuurist sõltuvalt muutub, oleneb õli kvaliteedist. Õlide temperatuurisõltuvus on üsna kompleksne, kuna viskoossus ei muutu koos temperatuuriga lineaarselt. Iga õlitüüp käitub erinevalt. Õlid, mille viskoossus on 40 °C juures ühesugune, võivad 100 °C juures käituda täiesti erinevalt.
Viskoossusindeks
Viskoossusindeks (lühend VI) iseloomustab määrdeaine viskoossuse sõltuvust temperatuurist ning määratakse 40 °C ja 100 °C juures mõõdetud kinemaatilise viskoossuse põhjal. Teatud mõttes annab viskoossusindeks aimu õli kvaliteedist ja selle abil saab võrrelda eri tüüpi õlisid. Kõrge viskoossusindeksiga õlid sõltuvad temperatuurist vähem. Sellised õlid säilitavad oma määrimisomadused laias temperatuurivahemikus. Madala viskoossusindeksiga õlisid mõjutab temperatuur rohkem, mistõttu ei moodusta nad kõrgetel või madalatel temperatuuridel stabiilset määrdeainekelmet. Viskoossusindeksi kasutuselevõtmisel 1928. aastal tugines skaala toona tuntud mineraalõlitüüpidele. Kõige väiksemaks viskoossusindeksi väärtuseks sätestati 0 (suure temperatuurisõltuvusega õlid) ja kõige suuremaks 100 (väikse temperatuurisõltuvusega õlid). Praeguse skaala väärtused ulatuvad kuni umbes 400-ni. Skaala on laienenud muu hulgas tänu moodsatele tehnoloogiatele, mis võimaldavad toota temperatuurikindlaid sünteesõlisid. Lisaks saab õlide viskoossusindeksit kunstlikult suurendada vastavate manuste (VI parendite) lisamisega.
| Õli tüüp | VI |
|---|---|
| mineraalõli | 80-120 |
| HC-õli | 120-140 |
| PAO õli | 135-160 |
| estrid | 140-190 |
| glükool | 200-220 |
Õlide erinev käitumine on graafiliselt kujutatav viskoossuse-temperatuuri diagrammiga (VT-diagrammiga). Kasutades matemaatilist teisendust, saab viskoossuse sõltuvust temperatuurist kujutada kahte tähtsaimat mõõtepunkti (40 °C ja 100 °C) läbiva sirgega nii, et diagrammil on näha ka õli viskoossused teistel temperatuuridel. VT-diagrammi abil saab seega hinnata, millised õlid sobivad millisteks töötemperatuurideks ja milliseks otstarbeks.
Näitlik VT-diagramm, mis kujutab erineva VI-ga õlisid
Viskoossuse sõltuvus rõhust
Peale temperatuuri sõltub õli viskoossus ka rõhust. Temperatuuriga võrreldes on viskoossuse sõltuvus rõhust siiski väike. Rõhu tõustes viskoossus suureneb ehk õli muutub paksemaks. Viskoossuse sõltuvus rõhust omab tähtsust alles üle 400 bar rõhul. Alla 400 bar rõhul on viskoossuse muutused marginaalsed. Parema ettekujutuse rõhu vähesest mõjust viskoossusele annab tõsiasi, et 100 bar suurune rõhu tõus mõjutab viskoossust vähem kui 10-kraadine temperatuuri tõus. Üheks täiendavaks fenomeniks on see, et koos rõhu tõusuga (õli muutub paksemaks) kaasneb temperatuuri tõus, mis muudab õli uuesti vedelamaks. Seega mõjutab õli viskoossuse sõltuvust rõhust teatud määral ka temperatuurisõltuvus.
Viskoossuse muutumine töö käigus
Õli viskoossus ei muutu ainult lähtuvalt temperatuurist ja rõhust. Ka ekspluatatsioonitingimused võivad õli voolavust muuta. Kui kasutatud õli viskoossus erineb liialt värske õli lähteväärtusest, on see märk õli vananemisest. Sellisel juhul tuleks õli ära vahetada. Õli viskoossus võib kas suureneda või väheneda. Kumbki variant ei ole hea, kuna õli ei täida oma funktsiooni enam optimaalselt.
Viskoossuse suurenemise põhjused on:
- oksüdatsioon (õli reageerimine hapnikuga), oksüdatsiooniinhibiitorite (manuste) lagunemine
- hapete teke
- laki ja mudasette (šlammi) teke
- saastumine (põlemisjääkidega, veega)
- vale õli kasutamine (nt juurde valamisel)
Viskoossuse vähenemise põhjused on:
- VI parendite (manuste) lagunemine
- õli segunemine kütusega (õli lahjenemine)
- vale õli kasutamine (nt juurde valamisel)
Õlide viskoossusklassid
Mootorsõidukeis ja tööstusseadmeis kasutatavaid määrdeaineid jagatakse spetsiaalsetesse klassidesse, et neid paremini klassifitseerida ja nõuetekohaselt kasutada. Viskoossusi saab klassifitseerida võrreldavate katseparameetrite alusel.
Eristatakse:
- SAE J300 mono- ja multiviskoossete mootoriõlide klassifitseerimiseks (nt SAE 5W, SAE 30, SAE 5W30),
- SAE J306 mootorsõidukite transmissiooniõlide klassifitseerimiseks (nt SAE 75W90),
- ISO VG tööstusmäärdeainete klassifitseerimiseks (nt hüdroõli HLP 46, tööstustransmissiooniõli CLP 320).
Mootori- ja transmissiooniõlide SAE klassid
USA Autoinseneride Ühing SAE (Society of Automotive Engineers) annab välja ülemaailmselt kehtivat mootori- ja transmissiooniõlide viskoossusklassifikatsiooni.
Mootoriõlisid saab liigitada monoviskoossete ja multiviskoossete õlide alla. Multiviskoossetes ehk aastaringsetes õlides on ühendatud talveks ja suveks sobivate õlide omadused. Multiviskoosne õli määrib optimaalselt mootori külmkäivitusel talvel ja suvel ning kindlustab vastupidava eraldava õlikelme töötemperatuuridel (100 °C). Seetõttu määratakse mootoriõlide kinemaatiline viskoossus 100 °C juures. Näitena võib tuua laialt levinud aastaringse 5W30 mootoriõli. Monoviskoossed õlid, nagu nt SAE 30 või SAE 5W, on vastavalt kas ainult suve- või talveõli omadustega.
Mootoriõlide klassifitseerimise aluseks on SAE J300 standard. Klassikaliste mootoriõlide puhul, nagu 5W30 või 0W40, on tingimuseks kõrge viskoossusindeksiga baasõli. Tootmisel lisatakse õlidele VI parendeid.
| SAE klass | Viskoossus madalal temperatuuril (mPa·s) | Pumbatavuse piirtemperatuur (°C) 1) | Min viskoossus 100 °C j (mm²/s) | Max viskoossus 100 °C j (mm²/s) | HTHS 150 °C j (Pa·s) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0W | 6200 | -40 | 3,8 | – | – |
| 5W | 6600 | -35 | 3,8 | – | – |
| 10W | 7000 | -30 | 4,1 | – | – |
| 15W | 7000 | -25 | 5,6 | – | – |
| 20W | 9500 | -20 | 5,6 | – | – |
| 25W | 13 000 | -15 | 9,3 | – | – |
| 8 | – | – | 4,0 | < 6,1 | 1,7 |
| 12 | – | – | 5,0 | < 7,1 | 2,0 |
| 16 | – | – | 6,1 | < 8,2 | 2,3 |
| 20 | – | – | 6,9 | < 9,3 | 2,6 |
| 30 | – | – | 9,3 | < 12,5 | 2,9 |
| 40 | – | – | 12,5 | < 16,3 | 2,9 2) |
| 40 | – | – | 12,5 | < 16,3 | 3,7 3) |
| 50 | – | – | 16,3 | < 21,9 | 3,7 |
| 60 | – | – | 21,9 | < 26,1 | 3,7 |
1) Ohutu külmkäivituse temperatuur on umbes 5 °C võrra pumbatavuse piirtemperatuurist kõrgem.
2) HTHS väärtus kehtib aastaringsetele õlidele 0W/5W/10W-40.
3) HTHS väärtus kehtib aastaringsetele õlidele 15W/20W/25W-40.
Osad tänapäevased võimsad mootorid nõuavad õli minimaalset viskoossust 150 °C töötemperatuuril ja nihkekiirusel 106/s. Selle all peetakse silmas HTHS viskoossust (High Temperatur High Share = kõrge temperatuur ja kõrge nihkepinge). HTHS viskoossuse piirmäära kehtestamisega tagatakse, et mootoriõli määrib piisavalt hästi kõrgetel temperatuuridel ja suurtel kiirustel (nihkekiirusel). HTHS viskoossuse piirmäärad on kehtestanud SAE, ACEA ja mõned autotootjad.
Transmissiooniõlisid klassifitseeritakse SAE J306 standardi alusel.
| SAE klass | Viskoossus madalal temperatuuril 150 000 mPa·s (°C) |
Min viskoossus 100 °C j (mm²/s) |
Max viskoossus 100 °C j (mm²/s) |
|---|---|---|---|
| 70W | -55 | 3,8 | – |
| 75W | -40 | 3,8 | – |
| 80W | -26 | 8,5 | – |
| 85W | -12 | 11,0 | – |
| 65 | – | 3,8 | < 5,0 |
| 70 | – | 5,0 | < 6,5 |
| 75 | – | 6,5 | < 8,5 |
| 80 | – | 8,5 | < 11,0 |
| 85 | – | 11,0 | < 13,5 |
| 90 | – | 13,5 | < 18,5 |
| 110 | – | 18,5 | < 24,0 |
| 140 | – | 24,0 | < 32,5 |
| 190 | – | 32,5 | < 41,0 |
| 250 | – | 41,0 | – |
Tööstusmäärdeõlide ISO VG klassid
ISO VG (International Organization for Standardization Viscosity Grade) 18 olemasolevat viskoossusklassi, alates klassist ISO VG 2 (vedel) kuni klassini ISO VG 1500 (väga paks), on defineeritud minimaalse ja maksimaalse kinemaatilise viskoossuse (mm2/s) järgi 40 °C temperatuuril.
| ISO VG | Keskmine viskoossus (mm²/s) 40 °C j |
Min kinemaatiline viskoossus (mm²/s) 40 °C j |
Max kinemaatiline viskoossus (mm²/s) 40 °C j |
|---|---|---|---|
| 2 | 2,2 | 1,98 | 2,42 |
| 3 | 3,2 | 2,88 | 3,52 |
| 5 | 4,6 | 4,14 | 5,06 |
| 7 | 6,8 | 6,12 | 7,48 |
| 10 | 10 | 9 | 11 |
| 15 | 15 | 13,5 | 16,5 |
| 22 | 22 | 19,8 | 24,2 |
| 32 | 15 | 28,8 | 35,2 |
| 46 | 15 | 41,4 | 50,6 |
| 68 | 15 | 61,2 | 74,8 |
| 100 | 15 | 90 | 110 |
| 150 | 15 | 135 | 165 |
| 220 | 15 | 198 | 242 |
| 320 | 15 | 288 | 352 |
| 460 | 15 | 414 | 506 |
| 680 | 15 | 612 | 748 |
| 1000 | 15 | 900 | 1100 |
| 1500 | 15 | 1350 | 1650 |
Kuna nende kolme klassifikatsiooni viskoossusklasse hinnatakse erinevate parameetrite järgi, pole nad päriselt omavahel võrreldavad. Seni koostatud võrdlustabelid on üldistavad ja neil puudub teaduslik alus. Kasutage alati määrdeaineid, mida soovitab masinatootja ja ärge usaldage umbkaudseid andmeid.
Võtke ühendust meie tehnilise meeskonnaga
Tooteid puudutavate küsimustega pöörduge palun meie abivalmi meeskonna poole. Selleks täitke allpool oleva kontaktivormi väljad või helistage numbril +372 627 9999.