И технические жидкости

Полусинтетические масла (Synthetic, Semi-Synthetic, Synthetic Based, Synthetic Blend) содержат в базовом продукте смесь продуктов перегонки и полиальфаолефины (ПАО) плюс пакет функциональных присадок, причем синтетический компонент составляет 30–40 %.

Синтетические масла (Fully Synthetic, 100 % synthetic) имеют нефтяную основу, но производятся другими способами и обладают существенно отличающейся от предыдущих молекулярной структурой. В зависимости от основы различают: диэфирные, полиалкенгликолевые, полисилоксановые и хлорфторуглеродные масла.

Диэфиры, образующиеся при взаимодействии двухосновных кислот с одноатомными спиртами и одноосновных кислот с многоатомными спиртами, применяются при изготовлении масел наиболее часто. Масла, получаемые на основе диэфиров, имеют более высокие индексы вязкости и низкие температуры застывания, меньшие испаряемость и огнеопасность, чем у минеральных масел. Однако они более агрессивны по отношению к деталям из маслостойкой резины, вызывают набухание и размягчение резиновых прокладок, шлангов и др.

Полиалкенгликоли по своей структуре – простые полиэфиры с длинными цепями, получаемые взаимодействием различных гликолей и других спиртов с окисью этилена, окисью пропилена или их смесями. Молекула полигликоля может содержать одну или несколько свободных гидроксильных групп, замена которых на алкильную эфирную группу приводит к получению эфиров полигликолей. Различные радикалы, вводимые в молекулу полигликоля, влияют на свойства получаемых масел.

Полисилоксаны (силиконы) – полимерные кремнийорганические соединения. В их основе лежит цепочка из чередующихся атомов кремния и кислорода. Углеводородные и другие органические радикалы различного строения закрывают боковые цепи атомов кремния. Практическое применение имеют полимеры с метильными радикалами (метилполисилоксаны) и этильными радикалами (этилполисилоксаны).

Масла на их основе имеют низкую температуру застывания, пологую вязкостно-температурную кривую, термостабильны, химически инертны (не корродируют все виды металлов) даже при нагревании до 150 °С. Однако у них низкая смазывающая способность и противоизносные свойства.

Фторуглеродные масла получают путем замены в углеводородах всех атомов водорода фтором, а хлорфторуглеводородные масла – путем замены атомов водорода частично хлором, а частично фтором.

Фторуглеродные масла обладают хорошими смазывающими свойствами, высокой термической и химической стабильностью, инертностью к кислотам и щелочам, минимальной коррозионностью. Однако они имеют низкую температуру кипения и высокую температуру замерзания при очень крутой вязкостно-температурной кривой, что существенно снижает их применение.

Таким образом, синтетические компоненты, используемые для производства синтетических и полусинтетических масел, получают двумя путями:

2) молекулу ''переконструируют'' таким образом, чтобы она соответ-ствовала ''идеальной молекуле'' масла.

Производство синтетического масла намного дороже, чем минерального. Однако есть ситуации, когда стоимость отступает на второй план. Это вызвано эксплуатацией автотехники в экстремальных условиях Заполярья, тропиков и, конечно, автомобильного спорта. Именно в таких ситуациях в полной мере проявляются преимущества синтетических масел, так как они сохраняют отличную вязкость и при крепких морозах, и в жару, позволяют свести к минимуму потери на трение и снизить износ деталей, узлов и агрегатов мотора.

Синтетические масла обладают множеством достоинств, к которым следует отнести:

- широкий диапазон рабочих температур;

- способность работать при очень высоких температурах и давлении;

- высокую стойкость к полимеризации (образованию лакоподобных пленок);

- высокую моющую способность;

- ровную характеристику вязкости в рабочем диапазоне температур (70–150 °С);

- низкую испарительную способность.

Но есть и недостатки:

- высокая химическая активность (компенсируется большим количест-вом присадок – не менее 25 %);

- высокая поверхностная активность, помогающая присадкам (антифрикционным, противозадирным, компенсационным) проникать в поверхность металла, замещая материал;

- высокая коррозионная активность, которая также компенсируется добавками;

- низкий уровень совместимости с минеральными маслами, так как не все присадки, используемые в минеральных маслах, растворяются в синтетических. По этой причине не следует доливать синтетическое масло в минеральное, и наоборот;

- сложность производства этих продуктов, а отсюда – высокая цена;

- несовместимость «синтетики» с резинотехническими изделиями.

В таблице 1.1 представлены характеристики минеральных и синтетических масел.

Качество моторных масел определяется составом присадок – химически активных веществ, которые в соответствии с их функциями подразделяются на повышающие индекс вязкости; снижающие температуру застывания; замедляющие окисление и коррозию; моющие; обеспечивающие смазочную способность при высоких контактных напряжениях; модификаторы трения; противопенные [3, 15, 16].

Доля присадок в современных моторных маслах в среднем составляет 15–25 %. Данные присадки обуславливают проявление свойств моторных масел, в качестве которых выступают:

Диапазон изменения температуры масла от холодного пуска зимой до максимального прогрева в подшипниках коленчатого вала или в зоне поршневых колец составляет до 180–190 ºС. Вязкость минеральных масел в интервале температур от –30 до +150 °С изменяется в тысячи раз.

Летние масла, имеющие достаточную вязкость при высокой температуре, обеспечивают пуск двигателя при температуре окружающей среды около 0 °С. Зимние масла, обеспечивающие холодный пуск при отрицательных температурах, имеют недостаточную вязкость при высокой температуре. Таким образом, сезонные масла независимо от их наработки (пробега автомобиля) необходимо менять дважды в год. Это усложняет и удорожает эксплуатацию двигателей. Проблема решена путем создания всесезонных масел, загущенных полимерными присадками.

Вязкостно-температурные свойства загущенных масел таковы, что при отрицательных температурах они подобны зимним, а в области высоких температур – летним. Вязкостно-температурные присадки относительно мало повышают вязкость базового масла при низкой температуре, но значительно увеличивают ее при высокой температуре, что обусловлено увеличением объема макрополимерных молекул с повышением температуры и рядом иных эффектов.

В отличие от сезонных, загущенные всесезонные масла изменяют вязкость под влиянием не только температуры, но и скорости сдвига, причем это изменение временное. С уменьшением скорости относительного перемещения смазываемых деталей вязкость возрастает, а с увеличением – снижается. Этот эффект больше проявляется при низкой температуре, но сохраняется и при высокой, что имеет два позитивных последствия: снижение вязкости в начале проворачивания холодного двигателя стартером облегчает пуск, а небольшое снижение вязкости масла в зазорах между поверхностями трения деталей прогретого двигателя уменьшает потери энергии на трение и дает экономию топлива.

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

Характеристиками вязкостно-температурных свойств служат кинематическая вязкость, определяемая в капиллярных вискозиметрах, динамическая вязкость, измеряемая при различных градиентах скорости сдвига в ротационных вискозиметрах, а также индекс вязкости – безразмерный показатель пологости вязкостно-температурной зависимости.

Индекс вязкости можно определить по номограмме, расчетным путем или по специальным таблицам. Для этого необходимо знать кинематическую вязкость масла при 50 и 100 °С. Чем выше индекс вязкости, тем более пологой кривой характеризуется масло и тем лучше его вязкостно-температурные свойства. Для автомобильных масел индекс вязкости должен быть не менее 90. Синтетические базовые компоненты имеют индекс вязкости 120–150, что дает возможность получать на их основе всесезонные масла с очень широким температурным диапазоном работоспособности.

К низкотемпературным характеристикам масел относят температуру застывания, при которой масло не течет под действием силы тяжести, т. е. теряет текучесть. Нижний температурный предел применения масла примерно на 8–12 °С выше температуры застывания, т. е.
t_ов = t_з – (8–12),
где t_ов – нижний температурный предел окружающего воздуха, °С;

t_з – температура застывания масла в соответствии с ГОСТ, °С.

В большинстве случаев застывание моторных масел обусловлено образованием в объеме охлаждаемого масла микрокристаллов парафинов, которые образуют пространственную кристаллическую решетку, связывающую все масло в единую неподвижную массу. Требуемая нормативной документацией температура застывания достигается депарафинизацией базовых компонентов и/или введением в состав моторного масла депрессорных присадок.

Температура застывания масла указывает на возможность перелить масло из канистры в картер двигателя, не прибегая к предварительному подогреву. Однозначной взаимосвязи температуры застывания масла с его пусковыми свойствами на холоде не существует.

Для понижения температуры застывания на 20 °С и более в масло вводят депрессорные присадки (до 1 %). Они предотвращают образование парафиновых кристаллов при низких температурах. Молекулы депрессора обволакивают зарождающиеся кристаллы и тем самым тормозят образование структурного каркаса в масле в виде кристаллической решетки из микрокристаллов парафина. Понижая температуру застывания масла, депрессаторы не влияют на его вязкостные свойства.

Окисление масла приводит к росту его вязкости и коррозионности, склонности к образованию отложений, загрязнению масляных фильтров и другим неблагоприятным последствиям (затруднение холодного пуска, ухудшение прокачиваемости масла).

На процесс окисления решающее влияние оказывает температура. Масла, хранящиеся при температуре 19–20 °С, сохраняют свои первоначальные свойства в течение 5 лет. Начиная с 50–60 °С, скорость окисления удваивается с увеличением температуры на каждые 10 °С.

Окисление масла в двигателе наиболее интенсивно происходит в тонких пленках масла на поверхностях деталей, нагревающихся до высокой температуры и соприкасающихся с горячими газами (поршень, цилиндр, поршневые кольца, направляющие и стебли клапанов). В объеме масло окисляется менее интенсивно, так как в поддоне картера, радиаторе, маслопроводах температура ниже и поверхность контакта масла с окисляющей газовой средой меньше. Во внутренних полостях двигателя, заполненных масляным туманом, окисление более интенсивно.

На скорость и глубину окислительных процессов значительно влияют попадающие в масло продукты неполного сгорания топлива. Они проникают в масло вместе с газами, прорывающимися из надпоршневого пространства в картер. Ускоряют окисление масла также частицы металлов и загрязнений неорганического происхождения, которые накапливаются в масле в результате изнашивания деталей двигателя, недостаточной очистки всасываемого воздуха, нейтрализации присадками неорганических кислот, а также металлорганические соединения меди, железа и других металлов, образующиеся в результате коррозии деталей двигателя или взаимодействия частиц изношенного металла с органическими кислотами. Все эти вещества – катализаторы окисления.

Значительно затормозить процессы окисления масла можно соответствующей очисткой базовых масел от нежелательных соединений, присутствующих в сырье; использованием синтетических базовых компонентов, а также введением эффективных антиокислительных присадок.

Присадки делятся на присадки-ингибиторы, работающие в общем объеме масла; термоокислительные присадки, выполняющие свои функции в рабочем слое на нагретых поверхностях. Наилучший антиокислительный эффект достигается при введении в масло присадок, обладающих различным механизмом действия. В качестве антиокислительных присадок к моторным маслам применяют диалкил- и диарилдитиофосфаты цинка, которые улучшают также антикоррозионные и противоизносные свойства. Их часто комбинируют друг с другом и с беззольными антиокислителями. К числу последних относят: соединения серы и фосфора, фенолы и амины. Содержание в масле – до 3 %. Довольно энергичными антиокислителями являются некоторые моюще-диспергирующие присадки, в частности, алкилсалицилатные и алкилфенольные.

3 Антикоррозионные свойства моторных масел зависят от наличия в них органических кислот, перекисей и других продуктов окисления, сернистых соединений, неорганических кислот, щелочей и воды. В процессе старения коррозионность моторных масел возрастает.

Антикоррозионные присадки защищают антифрикционные материалы (свинцовистую бронзу), образуя на их поверхности прочную защитную масляную пленку. Антиокислители препятствуют образованию агрессивных кислот. Иногда необходимо вводить в моторные масла присадки-деактива-торы, образующие хелатные соединения с медью, предохраняющие поверхность от коррозионного разрушения. Их концентрация достигает 1 %.

Антикоррозионные присадки типа дитиофосфатов цинка, применяемые в большинстве моторных масел, не защищают от коррозии сплавы на основе серебра и фосфористые бронзы, а при высокой температуре активно способствуют их коррозии. В двигателях, в которых используют такие антифрикционные материалы, необходимо использовать специальные масла, не содержащие дитиофосфатов цинка.

В стандартах на масла предусмотрены показатели оценки коррозионности: кислотное число, выраженное в миллиграммах КОН, которое требуется для нейтрализации органических кислот, находящихся в 1 г масла; содержание водорастворимых кислот и щелочей (в свежих маслах не выше 0,4 мг).

Для определения коррозионности масел имеется ряд методов. Все они основаны на оценке степени коррозии по потере массы пластинки (чаще всего свинцовой), выраженной в г/м², в результате ее погружения в нагретое масло.

4 Моюще-диспергирующие свойства характеризуют способность масла обеспечивать необходимую чистоту деталей двигателя, поддерживать продукты окисления и загрязнении во взвешенном состоянии. Чем выше моюще-диспергирующие свойства масла, тем больше нерастворимых веществ – продуктов старения может удерживаться в работающем масле без выпадения в осадок, тем меньше лакообразных отложений и нагаров образуется на горячих деталях, тем выше может быть допустимая температура деталей (степень форсирования двигателя).

В композициях моторных масел в качестве моющих используют зольные и беззольные присадки. Зольные присадки содержат бариевые и кальциевые соли сульфокислот (сульфонаты), а также алкилфеноляты щелочноземельных металлов бария и кальция, алкилсалицилаты и фосфонаты кальция или магния и реже (по экологическим соображениям) бария. Беззольные дисперсанты-присадки снижают, главным образом, склонность масла к образованию низкотемпературных отложений и скорость загрязнения фильтров тонкой очистки масла. Модифицированные термостойкие беззольные дисперсанты способствуют также уменьшению лако- и нагарообразования на поршнях.

Механизм действия моющих присадок заключается в следующем: детергирующие компоненты вымывают продукты окисления масла и износа деталей и несут их к фильтру, а диспергирующие компоненты способствуют дроблению крупных частиц нагара на мелкие (не больше микрона). Тем самым они удерживают грязь в мелкодисперсном состоянии, не дают ей слипнуться в большие комки и пригореть к металлу.

Моющие присадки добавляют в масла очень солидными дозами – до 15–20 % общего объема. Содержатся во всех сортах высококачественных моторных масел.

При работе двигателей на топливах с повышенным содержанием серы моющие присадки, придающие маслу щелочность, препятствуют образованию отложений на деталях двигателей также путем нейтрализации кислот, образующихся из продуктов сгорания топлива. Количественно данная способность характеризуется щелочным числом. Чем оно больше, тем большее количество кислот, образующихся при окислении масла и сгорании топлива, может быть переведено в нейтральные соединения. В противном случае эти кислоты вызвали бы коррозионный износ деталей двигателя и усилили процессы образования различных углеродистых отложений на них. При работе масла в двигателе щелочное число неизбежно снижается, нейтрализующие присадки срабатываются. Такое снижение имеет допустимые пределы, по достижении которых масло считается утратившим работоспособность. Поэтому при прочих равных условиях предпочтительнее масло, у которого щелочное число выше.

Металлсодержащие моющие присадки (зольные) повышают зольность масла, что может привести к образованию зольных отложений в камере сгорания, замыканию электродов свечей зажигания, преждевременному воспламенению рабочей смеси, прогару выпускных клапанов, снижению детонационной стойкости топлива, абразивному изнашиванию. Поэтому сульфатную зольность моторных масел ограничивают верхним пределом. Ее допустимое значение зависит от типа и конструкции двигателя, расхода масла на угар, условий эксплуатации, в частности, от вида применяемого топлива. Наименее зольные масла необходимы для смазывания двухтактных бензиновых двигателей и двигателей, работающих на газе. Наибольшую зольность имеют высокощелочные цилиндровые масла.

Моющие свойства определяют методами на установках ПЗВ или «скользящее кольцо», в основе которых лежит определение степени лакообразования в баллах от 0 до 6 на боковой поверхности поршня и сопоставление ее с эталонной цветной шкалой.

Численные значения показателя моющих свойств масел для бензиновых двигателей составляют 0,5–1,0 балл.

Для снижения потерь на трение в моторные масла вводят антифрикционные присадки, основой которых служат беззольные органические соединения, содержащие благородные элементы: никель, кобальт, хром, молибден. Малорастворимые поверхностно-активные вещества такого типа образуют в узлах трения многослойные защитные пленки с внедрением легирующих компонентов в зону трения. Особое место при этом принадлежит молибдену, атомы которого способны связывать атомы железа и образовывать структуры, стойкие к питтингу (местному выкрашиванию металла), фреттинг-коррозии и др. Более того, только этот металл образует в результате окисления поверхностных слоев оксиды, температура плавления и твердость которых на порядок ниже, чем у металла поверхности трения. Содержание противоизносных компонентов составляет до 2 %.

Присадки вводятся «пакетом», и в зависимости от того, чего в нем больше, меняются свойства масла. Естественно, 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.

Самостоятельное использование присадок нежелательно, так как может привести к непредсказуемым последствиям. Добавление даже самого хорошего компонента неизбежно нарушает баланс. В результате какой-либо показатель может быть улучшен, но другие при этом, почти наверняка, пострадают. В совокупности эффект будет в лучшем случае нулевым, в худшем – отрицательным.

Если вы все же рискнете добавить присадки самостоятельно, то не рекомендуется добавлять больше 250 мл на 4 л масла, иначе масло потеряет характеристики как чистый продукт. В современных же маслах производители доводят содержание присадок иногда до 28 % и более. Но их количество, комплексность, сбалансированность и совместимость были достигнуты в лабораторных условиях.

Способность моторного масла выполнять многочисленные функции проверяется в основном путем испытаний в двигателях на стендах по стандартным процедурам классификационных испытаний, а также методами лабораторных испытаний ряда физико-химических свойств. Некоторые фирменные спецификации включают как обязательный этап эксплуатационные испытания.

1.2 Классификация моторных масел
В связи с многообразием типов, конструкций двигателей и условий их работы применяется ряд классификаций моторных масел:

- SAE (Society of Automotive Engineers – Американское общество автомобильных инженеров);

Дополнительно ведущие производители автомобилей подвергают масла испытаниям по собственным программам, после чего допускают масла, выдерживающие такие испытания, в качестве масел первой заправки для всех или определенных типов техники своего производства. Такие спецификации называют допусками.

Важнейшие, наиболее часто упоминаемые фирменные спецификации (допуски) моторных масел имеют следующие обозначения:

- Volvo VDS, Volvo VDS-2;

- Volkswagen: VW 500.00, VW 501.00, VW 502.00, VW 505.00;

- Rower: RES 22 OL G-4, RES 22 OL PD-2, RES 22 OL D-5;

- BMW «Special Oils»;

- Mercedes-Benz: MB 229.1, MB 228.5, MB 228.2/3, MB 228.0/1, MB 227.0/1;

- MAN 270, MAN 271, MAN QC 13017, MAN M 3275, MAN M 3277;

- MTU Type 1, MTU Type 2;

- MACK EO-K, MACK EO-L;

- Ford: E3E-M2C 153-Е (в США), WSE-M2C 903 (в Европе);

- General Motors: GM 6094 M, GM 4718 M, GM 4717 M.

Пример информации, заложенной в фирменные спецификации, представлен в таблице 1.2 [12, 15, 16].

Класс SAE сообщает потребителю диапазон температуры окружающей среды, в котором масло обеспечит проворачивание коленчатого вала двигателя стартером, прокачивание масла масляным насосом по смазочной системе под давлением при холодном пуске в режиме, не допускающем сухого трения в узлах трения (минимальная температура), и надежное смазывание летом при длительной работе в максимальном скоростном и нагрузочном режиме (таблица 1.3).

В соответствии с этим классификация подразделяет моторные масла на шесть зимних (Winter) классов (0W, 5W, 10W, 15W, 20W и 25W) и пять летних (20, 30, 40, 50 и 60). Каждая цифра означает вязкость в секундах Сейболта, которая для зимних классов измерена при температуре –17,8 °С; летних – при +98,8 °С. Таким образом, чем больше число, тем больше вязкость масла. Всесезонные масла, пригодные для круглогодичного применения, обозначают сдвоенным номером, один из которых указывает зимний, а другой – летний класс (например SAE 10W, SAE 50, SAE 5W-30).

Классификация SAE J 300 распространяется только на вязкостно-темпе-ратурные свойства моторных масел и не сообщает никакой информации об их эксплуатационных качествах.

Для выбора температурного диапазона использования масла по системе SAE (приблизительно) можно предложить следующие рекомендации.

Минимальная температура в градусах Цельсия, при которой возможно использование масла, определяется по формуле
t_min = – (35 – X),
где Х – первые цифры маркировки.

Максимальную температуру можно принять приближенно по последним цифрам маркировки. Для точного определения температурного диапазона, в котором можно применять масло, следует использовать данные, приведенные в таблице 1.4.