SAE viskositet – mere end et bogstav og et par numre

Bagved en simpel motorolie SAE viskositetsbetegnelse kan foreligge op til 4 forskellige måder at måle viskositet på, hvor hver viskositetsmåling er specielt udviklet for at afdække særlige smøretekniske forhold i en forbrændingsmotor.

SAE J300 definerer to serier af viskositetsgrader som det fremgår af indsatte tabel:

• de grader som indeholder bogstavet W,
  hvor lavtemperatur egenskaber afdækkes og
• de grader som ikke indeholder bogstavet W,
  hvor højtemperatur egenskaber afdækkes

Bogstavet W hidrører fra det engelske ord ‘winter’, og fortæller altså hvornår disse af oliens egenskaber har mest relevans, hvilket i praksis vil sige når temperaturen kommer under 0 °C.

Der skelnes mellem singlegrad og multigrad olier, hvor:
Singlegrad olier er defineret ved at opfylde kravene for kun en enkelt viskositetsgrad som f.eks. SAE 10W eller SAE 40, mens
Multigrad olier er defineret ved at opfylde både lavtemperaturkravene for en W grad, og højtemperaturkravene for en ikke-W grad, hvilket f.eks. kan være SAE 10W-40.

I princippet opfylder en SAE 10W-20 og en SAE 10W-50 samme lavtemperatur egenskaber, mens en SAE 0W-40 og en SAE 10W-40 opfylder samme højtemperatur egenskaber.

Med den moderne olieteknologi er det i dag muligt at fremstille en motorolie med en næsten enhver tænkelig kombination af viskositetsgrader, selvom det ikke er alle kombinationer som har nogen gyldig eller praktisk anvendelse.

De 4 forskellige måder at måle viskositet på er:

• Kinematisk viskositet ved 100 °C (low-shear-rate)
• High-Temperature High-Shear-rate (HTHS) viskositet
• Low-Temperature Cranking viskositet
• Low-Temperature Pumping viskositet

SAE J300 viskositetstabel, januar 2015

Kinematisk viskositet ved 100 °C (low-shear-rate)

Denne viskositet er den mest simple og nøjagtige måling at udføre, og er defineret i standardmetoden ASTM D445. Resultatet angives i mm²/s (kvadratmillimeter per sekund) men udtales ofte i praksis som centistoke (cSt), da det er nemmere at udtale. Videnskabsmanden George Gabriel Stokes² har lagt navn til denne benævnelse.

Kinematisk viskositet har været relateret til bestemte former for olieforbrug, og har traditionelt været brugt som vejledning for valg af olieviskositet til forbrændingsmotorer under normale driftstemperaturer. Kinematisk viskositet er ikke kun forbeholdt motorolier, men er også meget udbredt brugt for andre olietyper som f.eks. hydraulikolier, hvor bruges ISO viskositetsgrader der baserer sig på den kinematiske viskositet målt ved 40 °C.

Populært fortalt er den kinematiske viskositet en angivelse af hvor hurtigt olien kan løbe ud af en beholder, hvor der ikke er andre kræfter end tyngdekraften  til at sætte olien i bevægelse (low-shear-rate). Jo lavere værdi – jo hurtigere løber olien ud.

High-Temperature High-Shear-rate (HTHS) viskositet

Denne viskositetsmåling er bredt accepteret som en reologisk³ faktor, der har stor betydning ved drift af en motor ved høje driftstemperaturer og høje omdrejningstal. Den måles ved 150 °C og rapporteres i den dynamiske viskositetsenhed mPa·s (milli-Pascal-sekunder) (cP centipoise).

HTHS-viskositeten menes især at være en indikator for oliens reelle viskositet under kraftig belastning (high-shear-rate) i kritiske områder som motorens glidelejer og mellem stempelringe og cylindervægge. De forskellige grænser i J300 er defineret under hensyn til, at der findes mange typer af mekaniske konstruktioner og driftsforhold som skal tilgodeses. Det skal bemærkes, at der findes en speciel situation for singlegrad SAE 40, hvor det har været nødvendigt at etablere 2 grænser. Typisk har SAE 0W-40, 5W-40 og 10-40 været anvendt i light-duty motorer, hvor en HTHS på min. 3,5 er tilstrækkeligt, mens der historisk set har været anvendt SAE 15W-40, 20W-40, 25W-40 og SAE 40 i ældre heavy-duty motorer, hvor den højere HTHS-viskositet på min. 3,7 mPa·s sikrer bedre holdbarhed under krævende driftsforhold.

Der er stor sammenhæng mellem HTHS-viskositet og brændstoføkonomi således at jo lavere HTHS-viskositet jo bedre brændstoføkonomi. Denne relation indgår ikke i SAE J300, der først og fremmest skal tilsikre tilfredsstillende smøring af en forbrændingsmotor under forventede driftsforhold da lavere HTHS også betyder tyndere oliefilm og derved større risiko for slitage. Det er motorkonstruktørens opgave at designe en motor som er brændstoføkonomisk, driftssikker og passet ind til de givne SAE viskositetsgrader.

Relation mellem HTHS-viskositet og brændstoføkonomi fremgår mere tydeligt i ACEA klassifikationssystemet som det kan ses af nedenstående skema hentet fra et tidligere indlæg.

Low-Temperature Cranking viskositet

Denne dynamiske viskositetsmåling er fundet til at hænge direkte sammen med en motors formåen til at starte ved lave temperaturer, og som det ses af SAE J300 tabellen, behøver olien at være mere flydende jo lavere temperaturen er. Årsagen hertil hænger i væsentlighed sammen med, at ved faldende temperaturer falder startbatteriets kapacitet, som derved har mindre energi til at tørne motoren tilstrækkeligt til at startkompression kan opnås.

Et batteris nominelle kapacitet er opgivet ved en temperatur på 30 °C. Ved 0 °C er kapacitet faldet til 80%, ved -10 °C faldet til 70%, ved -20 °C faldet til 50% og ved -30 °C faldet til 30%.

I praksis kan de definerede kriterier også bruges som en vejledning for en W-grads nedre temperaturanvendelse som f.eks., at 15W-40 olie kan anvendes ned til -20 °C mens en 10W-40 olie kan anvendes ned til -25 °C i omgivelsestemperatur.

Low-Temperature Pumping viskositet

Denne viskositet er en dynamisk måling af en olies evne til at flyde til oliepumpen og sikre tilstrækkelig olietryk under opstart. Det nytter ikke meget, at det er muligt at tørne motoren ved start, hvis oliepumpen ikke kan give tilstrækkelig med tryk og sikre vital smøring. Dette sikres også ved, at kriterier for pumpbarhed er sat med 5 °C lavere temperatur end cranking viskositet.

Viskositet på 60.000 mPa·s er den samme for alle W-grader og fortæller i grunden, at det er den praktiske flydegrænse på en olie, som en oliepumpe i en motor kan klare.

Dette var en kort gennemgang af de krav til viskositetsmålinger som ligger bag angivelse af en SAE viskositetsgrad, og som det formentlig fremgår ligger der mere bag end bare et bogstav og et par numre, men en lang række af erfaringer og overvejelser som industrien er kommet frem til siden SAE viskositetsgrader så dagens lys i 1911.

1. Kilde: http://standards.sae.org/j300_201501/ ↩

2. Kilde: http://en.wikipedia.org/wiki/Viscosity ↩

3. Reologi: Læren om flyde- og deformationsegenskaber hos materialer under påvirkning af mekaniske kræfter ↩