Моторные масла - основа теории

  История с географией плюс немного химии

Как утверждает история, смазочные материалы впервые понадобились человеку около 6 тыс. лет назад. Многие учёные считают, что именно в те времена люди изобрели колесо, а потом первые колёсные транспортные средства и более-менее сложные механизмы для военных и хозяйственных надобностей, – например, катапульты, устройства для подъёма-опускания мостов, мельниц и так далее. Естественно, механизмы требовали смазки. В зависимости от того, какой именно – погуще или пожиже, использовались либо растительные масла – оливковое, соевое, пальмовое, хлопковое, либо животные жиры – свиной, бараний, рыбий китовый. Несмотря на то, что нефть была известна человечеству с очень давних времён (раскопки на берегу Евфрата подтвердили, что нефтяные промыслы существовали там за 4-6 тыс. лет до нашей эры), она долго использовалась только в чистом виде – для освещения и отопления жилищ, поджога неприятельских кораблей, в ритуальных и лечебных целях и т.п. Когда же нефть научились худо-бедно перерабатывать (данные о том, когда именно, очень сильно разнятся), из неё извлекали, в основном, керосин, а ценнейший, как потом выяснилось, остаток – мазут, составлявший 70-90% её массы, либо использовали только как топливо, либо попросту сжигали в ямах. Со временем мазут стали добавлять в смазочные материалы, – как в растительные масла, так и в животные жиры.

Дальнейшее развитие технологии нефтепереработки позволило разделить мазут на чёткие фракции и начать производить из него различные масла, которые получили название минеральных или нефтяных. Это совпало по времени (середина-конец XIX века) с интенсивным развитием паровых машин, станков, пароходства и железных дорог. Потребность в смазочных материалах резко возросла. Что интересно, поначалу многие механики в буквальном смысле воротили носы от минеральных масел – они не в пример прозрачным и, скажем так, ароматным растительным были мутными, иногда чёрными, да к тому же очень дурно пахли (а может, так казалось с непривычки). Однако вскоре народ «принюхался» – этому весьма способствовала дешевизна нефтяных масел. Позже, когда нефтяники освоили эффективные методы очистки, масло стало прозрачным, светлым и перестало раздражать зрение и обоняние. А когда выяснилось, что минеральные смазочные материалы по своим свойствам гораздо лучше растительных и животных, началось постепенное, но необратимое вытеснение последних. О том, каков был спрос на минеральные масла уже в XIX веке, свидетельствует такой факт: завод промышленника Рогозина в Нижнем Новгороде с 1870 года выдавал по 100 тыс. пудов веретённого, машинного и вагонного масла в год и ни одна бочка на складе не залёживалась. А таких заводов в России не один и не два.

Условия работы и функции моторных масел

Смазочные материалы бывают:

1. По агрегатному состоянию
2. жидкие, называемые маслами,
3. пластичные, называемые смазками,
4. твёрдые (графиты и дисульфид молибдена как наиболее распространённые);
5. По роду исходного сырья
6. минеральные (нефтяные),
7. животные,
8. растительные,
9. синтетические;
10. По назначению
11. моторные,
12. трансмиссионные,
13. индустриальные,
14. турбинные,
15. компрессорные,
16. приборные.

Моторные масла работают в исключительно тяжёлых условиях. Другим смазочным материалам, применяемым в автомобилях – трансмиссионным маслам и пластичным смазкам, - несравненно легче выполнять свои функции, не теряя нужных свойств, так как они работают в среде относительно однородной, с более-менее постоянными температурой, давлением и нагрузками. У моторных же режим «рванный» – одна и та же порция масла длительное время подвергается ежесекундным перепадам тепловых и механических нагрузок, поскольку условия смазки различных узлов двигателя далеко не одинаковы.

Например, давление на тонкую масляную плёнку между стенкой цилиндра и поршневыми кольцами резко меняется в пределах 0,15-0,3 МПа в зоне компрессионного кольца и 0,5-1,3 МПа в зоне маслосъёмного при скорости скольжения поршня от нулевой в мёртвых точках до 15 м/сек., а при определённых условиях может достигать и 2,0 МПа. Температура этой плёнки тоже резко варьируется. Верхняя поршневая канавка в современных двигателях нагревается до 270-280⁰С, а при наличии наддува – до 300-350⁰С. А когда на такте сжатия из камеры сгорания в картер через плёнку прорываются газы (это происходит во всех двигателях, и чем двигатель поизношеннее, тем газов больше), температура в зоне поршня может достигать 450⁰С у карбюраторных моторов и 550-700⁰С у дизелей.

Не менее тяжёлые условия и в зоне трения вкладышей подшипников и шейки коленчатого вала. Там масляная плёнка нагревается до 150-160⁰С при огромном давлении трущихся деталей. А температура масла в картере в рабочем режиме редко падает ниже 80-100⁰С.

Кроме того, моторное масло подвергается химическому воздействию – влаги, кислорода, воздуха, других газов, продуктов неполного сгорания топлива, да и самого топлива, которое неминуемо попадает в масло, хотя и в очень малых количествах.

В таких, мягко говоря, некомфортных условиях моторное масло должно в течение длительного времени выполнять возложенные на него функции. А именно:

• Уменьшать трение между соприкасающимися деталями
• Снижать износ и предотвращать задиры трущихся частей
• Уплотнять зазоры, в первую очередь, между деталями ЦПГ, не допуская или сводя к минимуму прорыв газов из камеры сгорания
• Защищать детали от коррозии
• Отводить тепло от трущихся поверхностей
• Выносить продукты износа из зоны трения

Основа  масла

Моторное масло состоит из основы (базового масла) и присадок, которые призваны разнообразить его качество и свойства. По роду исходного сырья основы могут быть либо нефтяными (минеральными), либо синтетическими.

Химический состав минеральных основ зависит от качества нефти, пределов выкипания отбираемых масляных фракций, а также методов и степени их очистки.

При прямой перегонке из него выделяются масляные фракции с низкой вязкостью – такие минеральные основы называются дистиллятными. Основы же повышенной вязкости получают из того, что остаётся после перегонки, - гудрона и полугудрона, эти масла так и называются остаточными. Для получения базового масла с заданным уровнем вязкости дистиллятные и остаточные основы смешивают в определённых пропорциях.

В 50-60-х годах назрела необходимость создания новых смазочных материалов, способных, с одной стороны, успешно работать в экстремальных условиях, с другой – удовлетворять постоянно ужесточающимся требованиям к двигателям по экономичности и экологии. Улучшение качества традиционных масел на минеральной основе, конечно, даёт свои плоды, однако предел возможностей, видимо, уже не за горами – современные двигатели требуют масел с такими свойствами, которые существующая технология «простой» нефтепереработки обеспечить не может. Поэтому всё большее распространение получают масла на синтетической основе – диэфирные, полиалкиленгликолевые, фторуглеродные, силиконовые и другие. Производятся с помощью «синтеза» (отсюда – синтетика) путём перегруппировки молекул газа. Они (масла) выполняют те же функции, что и минеральные, но делают это на более высоком качественном уровне. Синтетические масла обладают исключительно удачными вязкостно-температурными характеристиками. Это, во-первых, гораздо более низкая, чем у минеральных, температура застывания (-50⁰С, -60⁰С) и очень высокий индекс вязкости, то есть относительно небольшое изменение вязкости в зависимости от изменений температуры, что очень облегчает запуск двигателя в морозную погоду. Во-вторых, они имеют более высокую вязкость при рабочих температурах свыше 100⁰С – благодаря этому масляная плёнка, разделяющая поверхности трения, не разрушается в экстремальных тепловых режимах.

К прочим достоинствам синтетических масел можно отнести высокую термоокислительную стабильность, то есть малую склонность к образованию нагаров и лаков (лаками называют откладывающиеся на горячих поверхностях прозрачные, очень прочные плёнки, состоящие из продуктов окисления), а также небольшие, по сравнению с минеральными маслами, испаряемость и расход на угар.

Все эти свойства синтетических масел способствуют снижению общих механических потерь в двигателе и уменьшению износа деталей. Кроме того, их ресурс превышает ресурс минеральных масел в 5 раз – есть синтетика, которую можно менять через 100 000 км. пробега.

Основным фактором, ограничивающим применение синтетических масел, является их высокая стоимость. Они в 3-5 раз дороже минеральных масел. В связи с этим многие фирмы производят полусинтетические масла – в минеральное масло вводят 25-50% синтетики. Компромисс весьма удачный: по качеству и по цене полусинтетика находится между синтетикой и минеральными маслами.

Прорывом в области производства масел является технология ISOSYN^tm,запатентованная компанией Chevron. При производстве масел с использованием технологии ISOSYN^tm используется принцип синтеза, но «сырьём» служит не газ, как в случае с синтетикой, а минеральное масло. В масле молекулы перегруппировываются, и получается продукт, по эксплуатационным характеристикам не уступающий синтетическим маслам. Благодаря использованию недорогого сырья, цена масла, произведённого по новой технологии, остаётся на уровне минерального.

Важный момент. Некоторые фирмы хитрят: называют свои масла синтетическими, даже если доля синтетики в них едва превышает 35%, то есть, по сути, они являются полусинтетическими. Это связано с желанием уйти от налогов. Есть страны, где производство синтетического масла не облагается налогом. В одних странах считают синтетикой 35% полусинтетику, в других – все масла, где синтетики больше половины. Налоговые службы не высказывают претензий к изготовителям. Вероятно, на правительственном уровне существует программа защиты отечественного производителя.

Присадки.

Базовое масло является средой-носителем специальных присадок – так называются различные добавки, вводимые в основу для того, чтобы она нормально функционировала, а также, чтобы повысить качество масла и его эксплуатационные свойства.

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, не дающих частицам нагара сбиться в большие соединения. 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 её пропускает, но это гораздо лучше, чем если бы она осаждалась на металле. В принципе, при использовании качественного масла, работа фильтра сводится к улавливанию твёрдых частиц (песка, продуктов износа и т.д.). Кстати, результаты работы моющих присадок можно наблюдать почти сразу после замены старого масла на новое. Вроде только-только залил, немного поездил – и уже чёрное! Нет причин для волнения. В данном случае чернота масла свидетельствует о высокой моющей способности его присадок – они смыли «грязь» со стенок, довели до безопасной консистенции, и масло гоняет её по системе смазки.

Моющие присадки добавляют в масла очень солидными дозами – до 15-20% общего объёма. Они, как правило, представляют собой сульфонаты, феноляты и фосфонаты различных металлов. Содержатся во всех сортах высококачественных моторных масел.

Вязкостные присадки.Для придания маслу хороших вязкостно-температурных свойств в него вводят высокомолекулярные полимеры – полиизобутилены, полиметакрилаты и др. Механизм их действия основан на изменении формы макромолекул полимеров в зависимости от температуры. В холодном состоянии эти молекулы, будучи свёрнутыми в спиральки, не влияют на вязкость масла, при нагреве же они распрямляются, и масло густеет, или, точнее, не становится слишком жидким.  Масла, в состав которых входят вязкостные присадки (до 10%), называют загущенными – это зимние и всесезонные сорта.

Противоокислительные присадкизамедляют окисление масел и неизбежно следующие за ним образование коррозионно-активных осадков. Делятся на присадки-ингибиторы, работающие в общем объёме масла, и на термоокислительные присадки, выполняющие свои функции в рабочем слое на нагретых поверхностях. В настоящее время в качестве противоокислительных присадок используются соединения серы и фосфора, фенолы и амины. Содержание – до 3%.

Депрессорные присадки(до 1%) вводят в масло для понижения температуры его застывания – на 20⁰С и более. Они предотвращают образование парафиновых кристаллов при низких температурах.

Противоизносные и противозадирные присадки(до 2%), содержащие хлор, фосфор и серу, призваны сохранять устойчивость масляной плёнки между трущимися деталями двигателя.

Противокоррозионные присадки(до 1%) защищают поверхность металлических деталей. Они способствуют образованию на металле прочной масляной плёнки, предохраняющей его от контакта с всегда присутствующими в объёме масла кислотами и водой.

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, т.к. пена в картере может привести к «масляному голоданию», но их присутствие не должно превышать тысячных долей процента – при термическом разложении силикона образуется оксид кремния, который является сильным абразивом.

Присадки вводятся «пакетом», и в зависимости от того, чего в нём больше, меняются свойство масла. Некоторые присадки сильно влияют друг на друга, причём, 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 удаётся. Например, диалкилдитиофосфаты цинка и бария способны сочетать в себе свойства противоизносных, противоокислительных, противокоррозионных и моющих присадок.

Классификация и маркировка.

Определяющими при выборе и применении автомобильных масел являются показатели вязкости и эксплуатационных свойств.

Первая классификация масел по вязкости была принята американским Обществом инженеров автомобильной промышленности (SAE) в 1920 г., а первые систематизированные требования к автомобильным маслам были сформулированы в  30-х годах американским институтом нефти (API). На протяжении последующих лет по мере совершенствования техники классификации SAE и API изменялись и пополнялись новыми категориями. Разрабатывались новые комплексы методов лабораторных и стендовых испытаний.

Классификация по вязкости SAE делит масла на 11 классов: 5 летних и 6 зимних (20, 30,40,50,60, 0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W). Всесезонные масла обозначаются двойным или дробным индексом – это означает, что при минусовых температурах масло удовлетворяет требованиям,  предъявляемым к  зимним классам, а при плюсовых – к летним, например SAE 10W-40. При выборе масла для зимы можно использовать нехитрый приём: необходимо запомнить число 35. Затем из него нужно вычесть число, стоящее в классификации с индексом «W». Получится предельная температура эксплуатации данного масла в зимних условиях. В нашем случае: 35-10(W)=25. Значит маслом можно пользовать при температурах до –25⁰С.

Классификация API подразделяет моторные масла на две категории: S (service) и C (commercial). Категория S описывает требования к бензиновым двигателям, а категория С к дизельным. Категория состоит из двух букв: первая – для каких двигателей (бензиновых или дизельных), вторая – уровень качества в алфавитном порядке. Чем дальше буква от начала алфавита, тем категория выше. Сервисные категории API постоянно усовершенствуются и с введением новых категорий отменяются старые.

Как правило, все моторные масла являются универсальными и имеют дробное обозначение категорий. Например, API SJ/CF. Это обозначает, что масло применяется в бензиновых двигателях, которым подходит категория SJ, но можно использовать и в дизельных двигателях, требующих категорию СF.

Осознание необходимости создания единой европейской классификации появилось значительно позже. Только в начале 80-х годов была принята классификация Комитета европейских конструкторов автомобилей (ССМС), преобразованного в 1995 г. в Ассоциацию конструкторов автомобилей (АСЕА). Этой ассоциацией была разработана новая классификация, согласованная с 15 ведущими европейскими фирмами – производителями автомобилей (BMW, DAF, Fiat, Ford of Europe, General Motors Europe, MAN, Mercedes-Benz, Peugeot, Porsche, Renault, Rolls-Royce, Rover, Saab-Scania, Volksvaggen, Volvo), заменившая с 1996 г. классификацию ССМС.

Так же, как и в классификации API ССМС имела разделения на категории для бензиновых двигателей (G), так и тяжёлых дизельных двигателей (D), причём была также отдельная категория для легковых дизелей (PD). Так же, как и API были двойные обозначения классификаций, но отличие от API классификации имели не буквенные, а цифровые отличия. Чем выше цифра, тем выше классификация. Как и в случае с API универсальные масла имели дробное обозначение. Например, G4/PD2.  

Классификация АСЕА так же, как и ССМС имеет три категории: А – бензиновые двигатели, В – легковые дизели, Е – дизели грузовых автомобилей. Так же, как и в ССМС в обозначении категории присутствуют буквы (категории) и цифры (класс).

Многие ведущие фирмы-производители (Ford, Mercedes-Benz, Volksvaggen, Volvo, MAN, Scania) в дополнение к существующим классификациям масел разработали свои спецификации и системы допуска масел к применению, учитывающие особенности выпускаемой ими техники. Масло-претендент на получение спецификации фирмы-производителя должно пройти дополнительные испытания по комплексу дополнительных требований, а также проведение дорожно-эксплуатационных испытаний.

Мойка.

В процессе эксплуатации масло, естественно, портится. Оно постепенно насыщается продуктами износа деталей двигателя и коррозии металлов, водой, газами, топливом, которые не только ухудшают качество самого масла, окисляя его, но и, попадая на горячие поверхности, способствуют образованию на них различных отложений. В высокотемпературных зонах, например, в камере сгорания, куда масло неизбежно проникает, появляются твёрдые, плохо удаляемые нагары. В среднетемпературных зонах (стенки поршней и цилиндров, поршневые кольца и пальцы) – лаки. Нагары и лаки увеличивают термонапряжённость деталей, их износ, могут вызвать детонацию, задиры, прогорание поршневых колец и так далее. Низкотемпературные отложения – мазеобразные шламы, образующиеся на всех деталях двигателя, кроме особо горячих, - забивают каналы системы смазки, что существенно затрудняет подачу масла к трущимся частям. Кроме того, шламы могут вызвать срабатывание перепускного клапана масляного фильтра, в результате масло начнёт циркулировать в системе не очищаясь.

Скорость накопления отложений зависит от многих факторов, некоторые из них непосредственно к маслу отношения не имеют. Некачественное топливо с высоким содержанием серы, изношенный двигатель, неисправное электрооборудование, зажигающее искру не ко времени, всё это в разной степени влияет на этот процесс. 

Ну и, конечно же, само масло.

Во-первых, использование нештатных сортов. Во-вторых, редкие замены.

Если используется масло, не ниже класса, рекомендуемого заводом-изготовителем и меняется строго по предписанию, то за всё время эксплуатации двигателя количество отложений не превысит критического уровня.

Выбирать масло по эксплуатационным свойствам (качеству) следует, придерживаясь принципа: лучше та марка, что доктор прописал. При этом следует помнить, что завод-изготовитель указывает минимальные требования к маслам, ниже которых применять нельзя. Выше – можно. Выбор же по вязкости можно корректировать, но только слегка. Если эксплуатируется автомобиль в тяжёлых условиях, когда двигатель перегревается (горы, пустыни, труднопроходимые дороги, жара), допустимо заливать масло с более высокой вязкостью. Кроме того, для изношенного двигателя, в котором масло сильно разжижается попадающим в него топливом, а зазоры большие и потому требуют дополнительного уплотнения, регламентируемой вязкости может оказаться недостаточно. Нужно взять на класс выше. Но необходимо при этом обратиться к рекомендациям завода-изготовителя: при проектировке двигателя в целом и системы смазки в частности, рассчитывается производительность масляного насоса, давление системы смазки и т.д.  А это в первую очередь зависит от вязкости используемого масла.