Моторные масла

Современные тенденции в  области разработки моторных масел  направлены на создание моторных масел  с невысокими диапазонами вязкостей: SAE 0W-20, 5W-20, 0W-30, 5W-30. Причина заключается  в том, что такие масла, как  правило, обеспечивают энергосберегающие  свойства (т.е. позволяют экономить  топливо) и содержат невысокое количество загустителя или вообще его не содержат. Чем большое количество загустителя в моторном масле  опасно для двигателя? Сложность  заключается в том, что в двигателе  множество пар трения, где масло  подвергается высоким сдвиговым  нагрузкам, в результате которых  происходит разрушение (деструкция) загустителя (рис. 4).

Это приводит к потере вязкости моторного масла, ухудшению функций  смазывания (уменьшение толщины смазывающей  пленки), а продукты деструкции загустителя  являются потенциальным источником нагаров и лаковых отложений  в двигателе. По этой причине лидеры в области производства моторных масел избегают производства моторных масел с вязкостями 0W-50/0W-60. Часто  встречающиеся масла с вязкостями 5W-50/10W-60 ориентированы исключительно  на спортивное применение и, как правило, не рассчитаны на удлиненные интервалы  замены. Они предназначены только для экстремальных условий эксплуатации, в которых наиболее важны высокие  вязкостные свойства, а не их стабильность с течением времени.

Моющие присадки. Моющие присадки нужны для предотвращения образования лаковых и сажевых отложений на деталях двигателя. Они, как правило, состоят из детергирующих компонентов, которые вымывают продукты окисления масла и износа деталей и несут их к фильтру, и диспергирующих, способствующих дроблению крупных частиц нагара на мелкие (не больше микрона). Диспергирующие добавки удерживают грязь в мелкодисперсном состоянии, не дают ей слипнуться в большие комки и пригореть к металлу. Естественно, грязь проходит по всей системе смазки, фильтр ее пропускает, но это гораздо меньшее зло, чем если бы она осаждалась на металле. Кстати, результаты работы моющих присадок можно наблюдать почти сразу после замены старого масла на новое. Вроде только-только залил, немного поездил - и уже черное! Не волнуйтесь. В данном случае чернота масла свидетельствует о высокой моющей способности его присадок - они смыли грязь со стенок, довели ее до безопасной консистенции, и масло гоняет ее по системе смазки. И пусть себе гоняет.

Иногда присадки-детергенты выполняют несколько функций. Но самая важная из них - поддержание  чистоты деталей двигателя.

Детергенты. Как правило, используется несколько типов детергентов: сульфонаты, сульфофенаты и алкилсалицилаты. Могут использоваться как отдельные типы таких присадок, так и их комбинация.

Принцип действия этих присадок в двигателе в точности такой  же, как и у моющих средств, использующихся в быту. Кроме этого, детергенты обладают щелочными свойствами, т.е. могут  нейтрализовать кислоты. Кислоты образуются при сгорании серы, содержащейся в  топливе, особенно дизельном и при  окислении самого масла. Нейтрализуя  такие кислые продукты, эффективно предотвращается коррозия деталей  двигателя. Т.е. вторая важная функция  таких присадок - нейтрализация кислот и антикоррозионные свойства.

Запас нейтрализующих свойств, которым характеризуется моторное масло, называется щелочное число и  измеряется в мг КОН/г масла (мг гидроокиси калия на г масла). Щелочное число  может изменяться в широких пределах: от 5 мгКОН/г (для газовых двигателей, где содержание серы в газе близко к нулю) до 100 мгКОН/г (для судовых двигателей, работающих на мазуте с содержанием серы выше 3.5%). Обычно моторные масла для автомобильных двигателей имеют значение щелочного числа в диапазоне 5…20 мгКОН/г. Значение ЩЧ не указывается на этикетке канистры масла и при необходимости может быть получено у представителей компании-маслопроизводителя.

Очень важно помнить (!) - в  реальных условиях применения масла  практическое значение имеет не начальное  значение щелочного числа, а скорость его падения, т.е. ухудшения нейтрализующих свойств масла. Именно изменение  щелочного числа относительно его  начального значения (обычно на 50%) является одним из параметров, которые используют производители техники для определения  срока замены масла, а не его абсолютное значение. Скорость падения щелочного  числа прежде всего зависит от типа используемого детергента. Наилучшими показателями обладают алкилсалицилатные присадки (рис. 5).

Shell является лидером в области разработки и применения алкилсалицилатных присадок (именно эти присадки компания использует в своих моторных маслах), что обеспечивает им наилучшую стабильность и эффективность моющих свойств по сравнению с конкурентными продуктами. Чистота двигателя - одно из важных преимуществ, которое получают потребители масел Shell. Кроме этого, алкилсалицилатные присадки обладают еще рядом дополнительных свойств, и их совокупность делает салицилатную технологию Shell уникальной (рис. 6).

В процессе работы двигателя  количество моющих присадок уменьшается.

Диспергирующие присадки (дисперсанты). Основная задача этих присадок - поддержание загрязнений в масле в растворенном состоянии, предотвращение их отложений на деталях двигателя, масляных каналах и др., диспергирование (растворение) крупных загрязнений (рис. 7, 8).

Диспергирующие присадки похожи по структуре на моющие, но, как правило, не содержат металла и соответственно беззольные. Кроме этого, диспергирующими свойствами также могут обладать и моющие присадки. В процессе работы в двигателе диспергирующая способность масла снижается.

Противоизносные присадки. Основная функция - предотвращение изнашивание трущихся деталей двигателя в местах, где невозможно образование масляной пленки необходимой толщины. Механизм их действия заключается в образовании защитной пленки на поверхностях трения, что предотвращает изнашивание самого металла (рис. 9).

Противоизносные присадки расходуются  в процессе работы двигателя. Противоизносные  и противозадирные присадки содержат хлор, фосфор и серу и могут занимать до 2% объема.

Ингибиторы окисления (антиокислительные  присадки). В процессе работы масло в двигателе постоянно подвергается воздействию высоких температур, кислорода воздуха и окислам азота, что вызывает его окисление и ведет к образованию кислот, отложений, лаковых образований, разрушению присадок и загущению самого масла (рис. 10). Именно с этими негативными последствиями и призваны бороться антиокислительные присадки. Благодаря им, в том числе, удалось существенно увеличить интервалы замены моторных масел. Принцип их действия заключается в химической реакции при высоких температурах с продуктами, вызывающими окисление масла. Как правило, в качестве антиокислительных присадок используются осерненные эфиры, сульфиды фенатов, ароматические амины, замещенные фенолы и диалкилдитиофосфаты цинка (которые также выполняют роль противоизносных присадок).

Противоокислительные присадки замедляют окисление масел и неизбежно следующее за ним образование коррозионно-активных осадков. Делятся на присадки-ингибиторы, работающие в общем объеме масла, и на термоокислительные присадки, выполняющие свои функции в рабочем слое на нагретых поверхностях. Содержание в масле - до 3%.

Ингибиторы коррозии и  ржавления. Ингибиторы коррозии призваны защищать поверхность деталей двигателя  от коррозии, вызываемой органическими  и минеральными кислотами, образующимися  при окислении масла и присадок. Механизм их действия - образование  защитной пленки на поверхности деталей  и нейтрализация кислот (рис. 15). Ингибиторы ржавления в основном призваны защищать стальные и чугунные стенки цилиндров, поршни и кольца. Механизм действия схожий.

Противокоррозионные присадки (до 1%) часто путают с противоокислительными. Это разные вещи. Противоокислительные, как говорилось выше, защищают от окисления само масло. Противокоррозионные же - поверхность металлических деталей. Они способствуют образованию на металле прочной масляной пленки, предохраняющей его от контакта с всегда присутствующими в объеме масла кислотами и водой.

Антипенные присадки. При сильном перемешивании масла с воздухом, что в частности наблюдается при работе двигателя, когда коленвал интенсивно взбалтывает масло в картере, возможно повышенное образование пены. Этому процессу также способствуют различные загрязнения, присутствующие в масле. Ее формирование значительно ухудшает эффективность смазывания деталей двигателя, что может привести к повышенному износу и ухудшению теплоотвода. Антипенные присадки сопротивляются вспениванию путем снижения поверхностного натяжения на разделе фаз «масло-воздух». Противопенные присадки (обычно это силиконы или полилоксаны) не растворяются в моторных маслах, а присутствуют в виде мельчайших капелек. Их действие основано на разрушении пузырьков воздуха. Обойтись без этих присадок практически невозможно, но их присутствие не должно превышать тысячных долей процента - при термическом разложении силикона образуется оксид кремния, который является сильным абразивом.

Модификаторы трения. Для современных двигателей все чаще стараются использовать масла с модификаторами трения, позволяющими снизить коэффициент трения между трущимися деталями с целью получения энергосберегающих масел. Наиболее известные модификаторы трения - графит и дисульфид молибдена. Молибденимт (молибденовый блеск) MoS2 -- мягкий свинцово-серый минерал с металлическим блеском.

Подобно графиту используется как компонент смазок, особенно для  пар трения, работающих в вакууме. Наиболее важное сырье для производства молибдена. Молибденит -- полупроводник, применяемый в радиотехнике для изготовления детекторов.

В современных маслах их очень  сложно использовать, поскольку эти  вещества нерастворимы в масле, а  могут быть только диспергированы в  нем в виде маленьких частиц. Это  требует введения в масло дополнительных дисперсантов и стабилизаторов дисперсии, однако это все равно не позволяет использовать такие масла в течение длительного времени. Поэтому в настоящий момент в качестве модификаторов трения обычно используют маслорастворимые эфиры жирных кислот, обладающих очень хорошим прилипанием к металлическим поверхностям, формированием на них слоя молекул, снижающих трение.

Депрессорные присадки. При сильном понижении температуры масла в нем начинают образовываться кристаллы парафинов, которые срастаясь, образуют пространственный каркас, что ведет к потере подвижности масла (оно становится похожим на желе) и в результате ухудшается низкотемпературный пуск двигателя и прокачиваемость масла по каналам. В процессе производства базовых масел часть парафинов удаляют, но полное их удаление по технологическим и экономическим причинам невозможно (сильно возрастают затраты на получение базового масла). Обычно минеральное базовое масло имеет температуру застывания около -15°С. Возможность получения минеральных моторных масел с температурами застывания -30°С …-35°С достигается путем введения в масло депрессорных присадок. Эти присадки предотвращают срастание кристаллов парафина, но не предотвращают их появление вообще (принцип действия такой же, как у дизельных антигелей). Депрессорные присадки могут занимать в объеме масла до 1% могут снизить температуру его застывания - на 20°C и более.

Пакет присадок. Получение моторных масел. Все компоненты, входящие в состав моторного масла (противоизносные присадки, антиокислительные присадки, антикоррозионные присадки, антипенные присадки, модификаторы трения, ингибиторы коррозии, моющие и диспергирующие присадки), как правило, поставляются в виде сбалансированного пакета присадок, в котором соотношение компонентов четко фиксировано, проверено на совместимость и обеспечиваются наилучшие эксплуатационные свойства для каждого типа моторного масла с заданными требованиями. Именно по этой причине большинством производителей техники и смазочных материалов категорически запрещены дополнительные присадки в масла. Разработка нового пакета присадок часто занимает не один год и стоимость его для компании может составлять несколько миллионов долларов. Пакеты присадок смешивают по четко прописанной рецептуре с базовыми маслами (смешивание еще называют блендинг) согласно схеме, приведенной на рис. 11. Каждая присадка, подобно лекарству, оказывает не только прямое действие, но дает и побочные эффекты. Некоторые присадки сильно влияют друг на друга, причем, иногда с взаимоуничтожающим результатом. Их подбор - дело исключительной тонкости. Стремясь избежать мороки с составлением "коктейлей", многие производители пытаются создать единую присадку на все случаи жизни. Это не в полной мере, но удается. Появляются и находят все большее применение многофункциональные, или комплексные присадки. Например, диалкилдитиофосфаты цинка и бария способны сочетать в себе свойства противоизносных, противоокислительных, противокоррозионных и моющих присадок. Хотя и не весь спектр тут охвачен, но - и то уже хорошо.

Для справки. Количество блендинговых заводов у компании Shell очень велико (несколько десятков). Основным источником поступления моторных масел на территорию РФ является завод в Финляндии (Lajasaalo). Часть продукции поставляется с завода в Германии (Grasbroock). Некоторые уникальные масла поставляются с заводов Канады и США. Пластичные смазки поставляются с завода в Бельгии (Ghent).

4. Классификации моторных масел по составу

Потенциал нефтяных смазок не безграничен, и он уже исчерпан по ряду параметров: термическая стабильность, антиокислительная стойкость, износостойкость  и энергосберегающая способность, температурно-вязкостные свойства.

Принципиальное отличие  синтетических смазок от нефтяных или, как их часто называют, минеральных, заключается в том, что в качестве основы применяются материалы, которые синтезируют химическим путем из органических компонентов, а не переработкой нефти. Синтез с использованием определенных химических соединений позволяет получать продукты с запланированными свойствами. В основном это полиальфаолефины (ПАО), или сложные эфиры, обладающие значительно более высокими по сравнении с нефтяными основами значениями названных выше параметров.

Синтетические масла.

Синтетические масла -- лучшее из того, что предлагает современная нефтехимия. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с минеральными. Они легкотекучие, следовательно, обеспечивают меньшие потери мощности на трение и, как следствие, снижение расхода топлива и имеют самые низкие температуры прокачки, т. е. позволяют работать двигателю даже при температуре ниже минус 30 С. Они имеют меньшую испаряемость при высокой температуре, повышенный срок службы. Главный недостаток, ограничивающий их повсеместное применение, это большая цена. Синтетические масла в среднем в два-пять раз дороже минеральных.

Компромиссное решение -- «коктейль» из синтетической и минеральной основ. «Полусинтетика» дешевле, но несколько уступает по качеству и сроку службы. Ее можно использовать в высокофорсированных бензиновых двигателях и дизелях, а также в двигателях с турбонаддувом.

Другой компромисс -- облагораживание минерального масла в ходе процесса гидрокрекинга: продукт получается близким по исходным свойствам, но стареет такое масло еще быстрее. Кстати, многие известные компании не утруждают себя точными формулировками, выдавая «гидрокрекинг» за «полусинтетику» и даже за «синтетику». Пример честной конкуренции: Castrol открыто называет легкотекучее масло GTX 5 Lightec продуктом гидрокрекинг-синтеза, a Carlube даже занижает достоинства серии Vectron, называя свои аналогичные масла минеральными.

Минеральные масла наиболее дешевые и используются в двигателях средней напряженности. Использование  этих масел на отечественных автомобилях  самое оптимальное. Выигрыш в  уменьшении потерь на трение и снижении расхода топлива при использовании  синтетики или полусинтетики  может и не покрыть значительных затрат на масло.