Як стверджує історія, мастильні матеріали вперше знадобилися людині близько 6 тис. років тому. Багато вчених вважають, що саме в ті часи люди винайшли колесо, а потім перші колісні транспортні засоби і більш-менш складні механізми для військових і господарських потреб, - наприклад, катапульти, пристрої для підйому-опускання мостів, млинів тощо. Звісно, механізми вимагали змащення. Залежно від того, яке саме - густіше або рідше, використовувалися або рослинні олії - оливкова, соєва, пальмова, бавовняна, або тваринні жири - свинячий, баранячий, риб'ячий, китовий. Незважаючи на те, що нафта була відома людству з дуже давніх часів (розкопки на березі Євфрату підтвердили, що нафтові промисли існували там за 4-6 тис. років до нашої ери), її довго використовували тільки в чистому вигляді - для освітлення й опалення житла, підпалу ворожих кораблів, у ритуальних і лікувальних цілях тощо. Коли ж нафту навчилися так-сяк переробляти (дані про те, коли саме, дуже сильно різняться), з неї витягали переважно гас, а найцінніший, як потім з'ясувалося, залишок - мазут, що становив 70-90% її маси, або використовували тільки як паливо, або просто спалювали в ямах. Згодом мазут стали додавати в мастильні матеріали, - як у рослинні олії, так і в тваринні жири.
Подальший розвиток технології нафтопереробки дав змогу розділити мазут на чіткі фракції та почати виробляти з нього різні олії, які отримали назву мінеральних або нафтових. Це збіглося в часі (середина-кінець XIX століття) з інтенсивним розвитком парових машин, верстатів, пароплавства і залізниць. Потреба в мастильних матеріалах різко зросла. Що цікаво, спочатку багато механіків у буквальному сенсі відвертали носи від мінеральних олій - вони, на відміну від прозорих і, скажімо так, ароматних рослинних, були каламутними, іноді чорними, та до того ж дуже погано пахли (а може, так здавалося з незвички). Однак незабаром народ «принюхався» - цьому вельми сприяла дешевизна нафтових олій. Пізніше, коли нафтовики освоїли ефективні методи очищення, олія стала прозорою, світлою і перестала дратувати зір і нюх. А коли з'ясувалося, що мінеральні мастильні матеріали за своїми властивостями набагато кращі за рослинні та тваринні, почалося поступове, але незворотне витіснення останніх. Про те, яким був попит на мінеральні олії вже в XIX столітті, свідчить такий факт: завод промисловця Рогозіна в Нижньому Новгороді з 1870 року видавав по 100 тис. пудів веретеноподібної, машинної та вагонної олії на рік, і жодна бочка на складі не залежувалася. А таких заводів у Росії не один і не два.
Умови роботи та функції моторних олив
Мастильні матеріали бувають:
За агрегатним станом
рідкі, звані маслами,
пластичні, звані мастилами,
тверді (графіти і дисульфід молібдену як найбільш поширені);
За родом вихідної сировини
мінеральні (нафтові),
тваринні,
рослинні,
синтетичні;
За призначенням
моторні,
трансмісійні,
індустріальні,
турбінні,
компресорні,
приладові.
Моторні оливи працюють у винятково важких умовах. Іншим мастильним матеріалам, що застосовуються в автомобілях, - трансмісійним оливам і пластичним мастилам, - незрівнянно легше виконувати свої функції, не втрачаючи потрібних властивостей, тому що вони працюють у середовищі відносно однорідному, з більш-менш постійними температурою, тиском і навантаженнями. У моторних же режим «рваний» - одна й та сама порція оливи тривалий час зазнає щосекундних перепадів теплових і механічних навантажень, оскільки умови змащення різних вузлів двигуна далеко не однакові.
Наприклад, тиск на тонку масляну плівку між стінкою циліндра і поршневими кільцями різко змінюється в межах 0,15-0,3 МПа в зоні компресійного кільця та 0,5-1,3 МПа в зоні мастилознімного за швидкості ковзання поршня від нульової в мертвих точках до 15 м/с., а за певних умов може сягати й 2,0 МПа. Температура цієї плівки теж різко варіюється. Верхня поршнева канавка в сучасних двигунах нагрівається до 270-2800С, а за наявності наддуву - до 300-3500С. А коли на такті стиснення з камери згоряння в картер через плівку прориваються гази (це відбувається у всіх двигунах, і що двигун більш зношений, то більше газів), температура в зоні поршня може сягати 4500С у карбюраторних моторів і 550-7000С у дизелів.
Не менш важкі умови і в зоні тертя вкладишів підшипників і шийки колінчастого вала. Там масляна плівка нагрівається до 150-1600С за величезного тиску деталей, що труться. А температура масла в картері в робочому режимі рідко падає нижче 80-1000С.
Крім того, моторне мастило зазнає хімічного впливу - вологи, кисню, повітря, інших газів, продуктів неповного згоряння палива, та й самого палива, яке неминуче потрапляє в мастило, хоча і в дуже малих кількостях.
У таких, м'яко кажучи, некомфортних умовах моторне масло повинне протягом тривалого часу виконувати покладені на нього функції. А саме:
Зменшувати тертя між деталями, що стикаються.
Знижувати знос і запобігати задиранням частин, що труться.
Ущільнювати зазори в першу чергу між деталями ЦПГ, не допускаючи або зводячи до мінімуму прорив газів з камери згоряння
Захищати деталі від корозії
Відводити тепло від поверхонь, що труться.
Виносити продукти зносу із зони тертя
Основа олії
Моторна олія складається з основи (базової олії) та присадок, які покликані урізноманітнити її якість та властивості. За родом вихідної сировини основи можуть бути або нафтовими (мінеральними) або синтетичними.
Хімічний склад мінеральних основ залежить від якості нафти, меж википання масляних фракцій, що відбираються, а також методів і ступеня їх очищення.
При прямій перегонці з нього виділяються масляні фракції з низькою в'язкістю – такі мінеральні основи називають дистилятними. Основи ж підвищеної в'язкості отримують з того, що залишається після перегонки, - гудрону та напівгудрону, ці олії так і називаються залишковими. Для отримання базової олії із заданим рівнем в'язкості дистилятні та залишкові основи змішують у певних пропорціях.
У 50-60-х роках назріла необхідність створення нових мастильних матеріалів, здатних, з одного боку, успішно працювати в екстремальних умовах, з іншого – задовольняти вимогам, що постійно посилюються, до двигунів з економічності та екології. Поліпшення якості традиційних олій на мінеральній основі, звичайно, дає свої плоди, проте межа можливостей, мабуть, уже не за горами – сучасні двигуни вимагають олій з такими властивостями, які існуюча технологія «простої» нафтопереробки не може забезпечити. Тому все більшого поширення набувають олії на синтетичній основі – діефірні, поліалкіленгліколеві, фторвуглецеві, силіконові та інші. Виробляються з допомогою «синтезу» (звідси – синтетика) шляхом перегрупування молекул газу. Вони (олії) виконують самі функції, як і мінеральні, але роблять це вищому якісному рівні. Синтетичні олії мають виключно вдалі в'язкісно-температурні характеристики. Це, по-перше, набагато нижча, ніж у мінеральних, температура застигання (-500С, -600С) і дуже високий індекс в'язкості, тобто відносно невелика зміна в'язкості залежно від змін температури, що полегшує запуск двигуна в морозну погоду. По-друге, вони мають більш високу в'язкість при робочих температурах понад 1000С – завдяки цьому масляна плівка, що розділяє поверхні тертя, не руйнується в екстремальних теплових режимах.
До інших переваг синтетичних масел можна віднести високу термоокислювальну стабільність, тобто малу схильність до утворення нагарів і лаків (лаками називають прозорі, дуже міцні плівки, що складаються з продуктів окислення, що відкладаються на гарячих поверхнях), а також невеликі, в порівнянні з мінеральними маслами, і та витрата на чад.
Всі ці властивості синтетичних масел сприяють зниженню загальних механічних втрат у двигуні та зменшенню зносу деталей. Крім того, їхній ресурс перевищує ресурс мінеральних масел у 5 разів – є синтетика, яку можна міняти через 100 000 км. пробігу.
Основним фактором, що обмежує застосування синтетичних масел, є їхня висока вартість. Вони в 3-5 разів дорожчі за мінеральні мастила. У зв'язку з цим багато фірм виробляють напівсинтетичні олії - в мінеральну олію вводять 25-50% синтетики. Компроміс дуже вдалий: за якістю і ціною напівсинтетика знаходиться між синтетикою і мінеральними маслами.
Проривом у галузі виробництва олій є технологія ISOSYNtm, запатентована компанією Chevron. При виробництві олій з використанням технології ISOSYNtm використовується принцип синтезу, але «сировиною» служить не газ, як із синтетикою, а мінеральне масло. У маслі молекули перегруповуються, і виходить продукт, за експлуатаційними характеристиками не поступається синтетичним маслам. Завдяки використанню недорогої сировини, ціна олії, виробленої за новою технологією, залишається на рівні мінеральної.
Важливий момент. Деякі фірми хитрують: називають свої олії синтетичними, навіть якщо частка синтетики в них ледве перевищує 35%, тобто, по суті, вони напівсинтетичні. Це пов'язано з бажанням уникнути податків. Є країни, де виробництво синтетичної олії не оподатковується. В одних країнах вважають синтетикою 35% напівсинтетику, в інших – усі олії, де синтетики більше половини. Податкові служби не висловлюють претензій до виробників. Ймовірно, на урядовому рівні є програма захисту вітчизняного виробника.
Присадки.
Базова олія є середовищем-носієм спеціальних присадок – так називаються різні добавки, що вводяться в основу для того, щоб вона нормально функціонувала, а також щоб підвищити якість масла та його експлуатаційні властивості.
Миючі присадки потрібні для запобігання утворенню лакових та сажових відкладень на деталях двигуна. Вони, як правило, складаються з компонентів, що детергують, які вимивають продукти окислення масла і зносу деталей і несуть їх до фільтра, і диспергуючих, що не дають частинкам нагару збитися у великі сполуки. Диспергуючі добавки утримують бруд у дрібнодисперсному стані, не дають їй злипнутися у великі грудки та пригоріти до металу. Природно, «бруд» проходить по всій системі мастила, фільтр її пропускає, але це набагато краще, ніж якби вона облягалася на металі. У принципі, при використанні якісного масла, робота фільтра зводиться до уловлювання твердих частинок (піску, продуктів зношування тощо). До речі, результати роботи миючих присадок можна спостерігати майже відразу після заміни старої олії на нову. Наче тільки залив, трохи поїздив - і вже чорне! Немає причин для хвилювання. В даному випадку чорнота олії свідчить про високу миючу здатність її присадок – вони змили «бруд» зі стінок, довели до безпечної консистенції, і олія ганяє її системою мастила.
Миючі присадки додають до олії дуже солідними дозами – до 15-20% загального обсягу. Вони, як правило, являють собою сульфонати, феноляти та фосфонати різних металів. Містяться у всіх сортах високоякісних моторних масел.
В'язкісні присадки.Для надання маслу хороших в'язкісно-температурних властивостей в нього вводять високомолекулярні полімери - поліізобутилени, поліметакрилати та ін. Механізм їх дії заснований на зміні форми макромолекул полімерів залежно від температури. У холодному стані ці молекули, будучи згорнутими в спіральки, не впливають на в'язкість масла, при нагріванні вони розпрямляються, і масло густіє, або, точніше, не стає занадто рідким. Олії, до складу яких входять в'язкісні присадки (до 10%), називають загущеними – це зимові та всесезонні сорти.
Протиокислювальні присадки уповільнюють окислення олій і неминуче наступні його утворення корозійно-активних опадів. Поділяються на присадки-інгібітори, що працюють у загальному обсязі олії, і на термоокислювальні присадки, що виконують свої функції у робочому шарі на нагрітих поверхнях. В даний час як протиокислювальні присадки використовуються сполуки сірки і фосфору, феноли і аміни. Зміст – до 3%.
Депресорні присадки (до 1%) вводять у олію зниження температури його застигання – на 200С і більше. Вони запобігають утворенню парафінових кристалів при низьких температурах.
Протизносні і протизадирні присадки (до 2%), що містять хлор, фосфор і сірку, покликані зберігати стійкість масляної плівки між деталями двигуна, що труться.
Протикорозійні присадки (до 1%) захищають поверхню металевих деталей. Вони сприяють утворенню на металі міцної масляної плівки, що оберігає його від контакту з кислотами і водою, що завжди присутні в обсязі масла.
Протипінні присадки (зазвичай це силікони або полілоксани) не розчиняються в моторних оліях, а присутні у вигляді дрібних крапельок. Їхня дія заснована на руйнуванні бульбашок повітря. Обійтися без цих присад практично неможливо, т.к. піна в картері може призвести до «олійного голодування», але їхня присутність не повинна перевищувати тисячних часток відсотка – при термічному розкладанні силікону утворюється оксид кремнію, який є сильним абразивом.
Присадки вводяться «пакетом», і залежно від того, чого в ньому більше змінюються властивість масла. Деякі присадки сильно впливають один на одного, причому іноді з взаємознищуючим результатом. Їхній підбір – справа виняткової тонкощі. Прагнучи уникнути мороки зі складанням «коктейлів», багато виробників намагаються створити єдину присадку на всі випадки життя. Це не повною мірою, але вдається. Наприклад, діалкілдітіофосфати цинку і барію здатні поєднувати в собі властивості протизносних, протиокислювальних, протикорозійних та миючих присадок.
Класифікація та маркування.
Визначальними при виборі та застосуванні автомобільних масел є показники в'язкості та експлуатаційних властивостей.
Перша класифікація олій в'язкості була прийнята американським Товариством інженерів автомобільної промисловості (SAE) в 1920 р., а перші систематизовані вимоги до автомобільних масел були сформульовані в 30-х роках американським інститутом нафти (API). Протягом наступних років у міру вдосконалення техніки класифікації SAE та API змінювалися та поповнювались новими категоріями. Розроблялися нові комплекси методів лабораторних та стендових випробувань.
Класифікація по в'язкості SAE ділить олії на 11 класів: 5 літніх та 6 зимових (20, 30,40,50,60, 0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W). Всесезонні масла позначаються подвійним або дробовим індексом - це означає, що при мінусових температурах масло відповідає вимогам, що пред'являються до зимових класів, а при плюсових - до літніх, наприклад SAE 10W-40. При виборі олії для зими можна використовувати нехитрий прийом: необхідно запам'ятати число 35. Потім від нього потрібно відняти число, що стоїть у класифікації з індексом «W». Вийде гранична температура експлуатації цієї олії в зимових умовах. У разі: 35-10(W)=25. Значить маслом можна користуватись при температурах до –250С.
Класифікація API підрозділяє моторні олії на дві категорії: S (service) і C (commercial). Категорія S визначає вимоги до бензинових двигунів, а категорія С до дизельних. Категорія складається з двох літер: перша – для якихось двигунів (бензинових або дизельних), друга – рівень якості в алфавітному порядку. Що далі буква від початку алфавіту, то категорія вища. Сервісні категорії API постійно вдосконалюються та з введенням нових категорій скасовуються старі.
Як правило, всі моторні олії є універсальними і мають дрібне позначення категорій. Наприклад, API SJ/CF. Це означає, що масло застосовується в бензинових двигунах, яким підходить категорія SJ, але можна використовувати і дизельних двигунах, що вимагають категорію СF.
Усвідомлення необхідності створення єдиної європейської класифікації виникло значно пізніше. Тільки на початку 80-х років було прийнято класифікацію Комітету європейських конструкторів автомобілів (ССМС), перетвореного 1995 р. в Асоціацію конструкторів автомобілів (АСЕА). Цією асоціацією було розроблено нову класифікацію, узгоджену з 15 провідними європейськими фірмами – виробниками автомобілів (BMW, DAF, Fiat, Ford of Europe, General Motors Europe, MAN, Mercedes-Benz, Peugeot, Porsche, Renault, Rolls-Royce, Rover, Saab -Scania, Volksvaggen, Volvo), що замінила з 1996 р. класифікацію ССМС.
Як і в класифікації API ССМС мала поділу на категорії для бензинових двигунів (G), і важких дизельних двигунів (D), причому була окрема категорія для легкових дизелів (PD). Так само, як і API були подвійні позначення класифікацій, але на відміну від API класифікації мали не буквені, а цифрові відмінності. Чим вища цифра, тим вища класифікація. Як і у випадку з API універсальні олії мали дробове позначення. Наприклад, G4/PD2.
Класифікація АСЕА як і, як і ССМС має три категорії: А – бензинові двигуни, В – легкові дизелі, Е – дизелі вантажних автомобілів. Так само, як і в РСМС у позначенні категорії присутні літери (категорії) та цифри (клас).
Багато провідних фірм-виробників (Ford, Mercedes-Benz, Volksvaggen, Volvo, MAN, Scania) на додаток до існуючих класифікацій масел розробили свої специфікації та системи допуску мастил до застосування, що враховують особливості їхньої техніки. Олія-претендент на отримання специфікації фірми-виробника має пройти додаткові випробування щодо комплексу додаткових вимог, а також проведення дорожньо-експлуатаційних випробувань.
Мийка.
У процесі експлуатації олія, звичайно, псується. Воно поступово насичується продуктами зношування деталей двигуна та корозії металів, водою, газами, паливом, які не тільки погіршують якість самої олії, окислюючи її, але і, потрапляючи на гарячі поверхні, сприяють утворенню на них різних відкладень. У високотемпературних зонах, наприклад, в камері згоряння, куди масло неминуче проникає, з'являються тверді нагари, що погано видаляються. У середньотемпературних зонах (стінки поршнів та циліндрів, поршневі кільця та пальці) – лаки. Нагари та лаки збільшують термонапруженість деталей, їх знос, можуть викликати детонацію, задираки, прогорання поршневих кілець тощо. Низькотемпературні відкладення - мазеподібні шлами, що утворюються на всіх деталях двигуна, крім особливо гарячих, - забивають канали системи мастила, що істотно ускладнює подачу масла до частин, що труться. Крім того, шлами можуть викликати спрацювання перепускного клапана масляного фільтра, в результаті олія почне циркулювати в системі, не очищаючись.
Швидкість накопичення відкладень залежить від багатьох факторів, деякі з них безпосередньо до олії не стосуються. Неякісне паливо з високим вмістом сірки, зношений двигун, несправне електрообладнання, що запалює іскру не вчасно, все це різною мірою впливає на цей процес.
Ну і, звичайно ж, сама олія.
По-перше, використання позаштатних сортів. По-друге, рідкісні заміни.
Якщо використовується олія, не нижче класу, рекомендованого заводом-виробником і змінюється строго за вказівкою, то весь час експлуатації двигуна кількість відкладень не перевищить критичного рівня.
Вибирати масло за експлуатаційними властивостями (якістю) слід, дотримуючись принципу: краще та марка, яку прописав доктор. При цьому слід пам'ятати, що завод-виробник вказує мінімальні вимоги до олій, нижче за які застосовувати не можна. Вище – можна. Вибір по в'язкості можна коригувати, але тільки злегка. Якщо експлуатується автомобіль у важких умовах, коли двигун перегрівається (гори, пустелі, дороги, що важко проходять, спека), допустимо заливати масло з більш високою в'язкістю. Крім того, для зношеного двигуна, в якому масло сильно розріджується паливом, що потрапляє в нього, а зазори великі і тому вимагають додаткового ущільнення, регламентованої в'язкості може виявитися недостатньо. Потрібно взяти на клас вище. Але необхідно при цьому звернутися до рекомендацій заводу-виробника: при проектуванні двигуна в цілому та системи мастила зокрема, розраховується продуктивність масляного насоса, тиск системи мастила тощо. А це в першу чергу залежить від в'язкості олії.
