Моторные масла: состав, классификации, методы испытаний, одобрения

 Состав моторных масел

 Моторные масла представляют собой сложные смеси, которые лучше всего   можно охарактеризовать как соединения, состоящие из базовых масел и присадок. По сравнению с другими группами смазочных материалов базовые масла играют очень важную роль. Не особенно вдаваясь в характеристики и подробности производства композиции, можно сказать, что базовые масла подбирают таким образом, чтобы они по вязкости и функциональным характеристикам принципиально соответствовали классификации. Конечные продукты сбывают как полусинтетические (масла гидрокрекинга) или синтетические моторные масла, созданные на базе минеральных масел.
 Точная международная номенклатура подразделяет базовые масла на шесть групп:  
 • Группа 1. Растворимые маловязкие масла с содержанием насыщенных   углеводородов < 90%, 80 < ИВ < 120, содержание S > 0,03%.
 • Группа 2. Масла гидрокрекинга с содержанием насыщенных   углеводородов > 90%, 80 < ИВ < 120, содержание S < 0,03%.
 • Группа 3. Масла гидрокрекинга с содержанием насыщенных углеводородов   > 90%, ИВ > 120, содержание S < 0,03%.
 • Группа 4. ПАО.  
 • Группа 5. Сложные эфиры и прочие.  
 • Группа 6. Продукты олигомеризации олефинов с внутренними двойными связями.  

 Присадки

В зависимости от используемого базового масла и требуемых характеристик двигателя моторные масла могут содержать до 30 различных присадок, процентное содержание которых может варьироваться в пределах от 5 до 25% суммарно. В производстве базовых масел различают функциональные, вязкостные и улучшающие текучесть присадки. Как правило, функциональные присадки составляют самую большую группу.

 Функциональные присадки

Следующие химические вещества сведены в таблицу под общим названием «Функциональные присадки» (табл.1).

Таблипа 1. Функциональные присадки Антиоксиданты Фенольные, аминные, фосфиты, осерненные вещества Противоизносные агенты Дитиофосфаты металлов, карбоматы Моющие присадки (детергенты) Сульфонаты Са и Mg, феноляты, салициляты Диспергирующие присадки Олигомеры полиизобутилена и этилен-пропилена с азотом и/или кислородом в качестве функциональной группы Модификаторы трения Соединения MoS, спирты, сложные эфиры, амиды жирных кислот и т. д. Противотуманные агенты Силиконы и акрилаты

 Как правило, перечисленные выше категории веществ выполняют более   чем одну функцию. Это справедливо для моторных масел. Диалкилдитиофосфаты цинка, например, в основном являются противоизносными присадками, а также оказывают антиокислительное действие благодаря специфическому механизму разложения. Кроме того, сложные композиции индивидуальных компонентов обычно обнаруживают синергетические и антагонистические взаимодействия, которые должны соответствовать конкретной области применения. Состав компонентов базового масла оказывает дополнительное влияние на эти специфические взаимодействия. Следовательно, для создания оптимального состава моторного масла требуется наличие большого опыта и проведение новых разработок.

 Вязкостные присадки

Вязкостные присадки можно разделить на две группы: неполярные, недиспергируюшие и полярные, диспергирующие присадки. В принципе, первая группа необходима только для установления вязкости всесезонных масел. Вязкостные присадки увеличивают вязкость масла и индекс вязкости путем изменения их растворимости при различных температурах В зависимости от химической структуры и растворимости в базовом масле, при абсолютной концентрации от 0,2 до 1,0%, они могут увеличивать вязкость на 50-200%. Благодаря специальной модификации диспергирующие вязкостные присадки часто используются в роли беззольных дисперсантов, обладающих дополнительными загущающими эффектами. Кроме того, вязкостные и депрессорные присадки влияют на вязкость соединений при низких температурах (измеряемую как температуру застывания, с помощью CCS и MR V) и оказывают сильное влияние на вязкость при высоких температурах и высоких скоростях сдвига. На данный момент в США выдвигаются такие дополнительные требования к низкотемпературной стабильности (определенные значения индекса желатинизирования), которые недостижимы без правильно подобранных к базовому маслу вязкостных и депрессорных присадок.

 Характеризация и испытания

Для достижения ясности в классификациях и спецификациях моторных масел по вязкости рассмотрим подробно методы их испытаний.

 Физические и химические методы испытаний

Физико-химические свойства моторного масла обычно оцениваются стандартными методами в лаборатории. Эта оценка в основном фокусируется на реологических опытных значениях и ранее рассмотренной классификационной системе SAE.
 Для точного определения низко- и высокотемпературной вязкости   применяются различные вязкостные методы испытаний. Определенная таким образом вязкость характерна для моторного масла в определенном состоянии двигателя. При низких температурах (от —10 до —40 °С) для определения кажущейся вязкости используют MRV миниротационный вискозиметр) с низким градиентом сдвига; таким образом определяют текучесть масла в зоне масляного насоса. Кроме того, максимальную вязкость как пороговую величину определяют в пять градуированных ступеней. Динамическая CCS (имитатор холодного проворачивания коленчатого вала) вязкость, которую определяют при температурах от -10 до -40 °С с высоким градиентом сдвига, также является кажущейся вязкостью, отражающей трибологические условия на коленчатом валу во время холодного запуска двигателя. Максимальные значения, заложенные в SAE J 300, гарантируют надежную циркуляцию масла в фазе запуска.
 Динамическая вязкость при температуре 150 °С и скорости сдвига 10  ⁶с^-1, т. е. высокой температуре и высокой скорости сдвига (HTHS), описывает реологические характеристики при высоких термических нагрузках, которые имеют место при работе с полным открытием дросселя. Соответствующие пороговые значения также гарантируют смазочную пленку, удовлетворяющую всем требованиям даже в этих условиях.
 Наряду с реологическими характеристиками, испытания по Н  ОАК, испытания моторных масел и присадок на испаряемость, а также на склонность к пенообразованию и деаэрации могут быть характеризованы и с помощью простых методов. Кроме того, совместимость высоколегированных масел с уплотнениями испытывают на стандартных эталонных эластомерах статическими методами испытания на набухание с последующим удлинением.

Моторные испытания

Поскольку проверка моторных масел путем лишь долговременных эксплуатационных испытаний не дает реальной возможности оценки их качества, ряд международных комитетов учредил методы испытаний в определенных опытных двигателях, работающих в воспроизводимых и практически релевантных условиях. В Европе за испытание, допуск и стандартизацию масел отвечает СЕС (Координационный европейский совет по разработке и проведению испытаний смазочных материалов и топлив). Требования АСЕА (Европейской ассоциации конструкторов автомобилей) к эксплуатационным характеристикам устанавливаются в форме последовательных методов испытаний масел, разработанных совместно с производителями присадок и смазочных материалов. В США эту задачу выполняют автомобильная промышленность и Американский нефтяной институт {API). Этот институт разрабатывает методы испытаний и предельно допустимые значения. Азиатский комитет ILSAC в основном принимает американские спецификации на автомобильные смазочные материалы.
 В принципе, методы испытаний фокусируются на следующих общих оценочных критериях:  
 • окисление и термическая стабильность;  
 • дисперсия частиц сажи и шлама;  
 • защита от износа и коррозии;  
 • стойкость к пенообразованию и сдвигу.  
Спецификации на методы испытаний моторных масел разработаны дифференцированно для бензиновых и дизельных двигателей легковых и грузовых автомобилей, причем каждый испытанный двигатель характеризуется по одному или по группе критериев. В табл. 2 и 3 приведены соответствующие критерии для бензиновых и дизельных двигателей.

Таблица 2. Испытания на двигателях легковых автомобилей. Испытательный двигатель Метод испытания Критерии оценки Peugeot XUD 11 CEC L -56- T -95 Диспергирование сажи Чистота поршня Peugeot TU 5 JP CEC L -88- T -02 Чистота Окисление Пригорание колец Peugeot TU 3 S CEC L -38- A -94 Износ кулачков и толкателя Sequence 11 D ASTM STP B 15 M P 1 Коррозия подшипников M 111 SL CEC L -53- T -95 Черный шлам Износ кулачков Sequence 111 E ASTM STR 315 MP 2 Окисление Износ Чистота Sequence VG ASTM D 6593 Шлам Чистота поршня Пригорание колец BMW M 52   Привод клапана Утечки (износ) воздуха Износ WV T 4   Окисление масла Истощение общего щелочного числа (TBN) Чистота поршня M 111 FE CEC L -54- T -96 Топливосбережение VW-D 1 P-VW 1452 Чистота поршня Пригорание колец VW-TD CEC L -46 - T -93 Чистота поршня Пригорание колец M 271 шлам   Черный шлам M 271 износ   Износ истота Окисление Расход масла OM 611   Износ Чистота Окисление Расход масла

 

Таблица 3. Испытания на двигателях в тяжелых условиях работы. Испытательный двигатель Метод испытания Критерии оценки Caterpillar 1 К /1 N   Чистота поршня Износ; расход масла Cummins М 11   Износ привода клапана Шлам Пригорание колец Mack T 8 ASTM D 4485 Диспергирование сажи Mack Т 10   Износ гильзы цилиндра и колец GM 6,2 л   Износ привода клапана ОМ 364 LА СЕС L -42- T -99 Чистота поршня Износ цилиндра Шлам Расход масла ОМ 602 A CEC L -51- T -98 Износ Чистота Окисление Расход масла OM 441 LA CEC L -52- T -97 Чистота поршня Износ цилиндра Отложения на турбонаддуве

 Моторные масла для легковых автомобилей

К двигателям легковых автомобилей относятся все бензиновые и легкие дизельные двигатели с прямым или косвенным впрыском. Для удовлетворения минимальным требованиям, предъявленным к ним, масла должны выдерживать испытания на вышеперечисленных двигателях независимо от класса вязкости и базового масла. Для бензиновых двигателей испытания на окислительную стабильность масла проводят в двигателе Sequence III F (Т _макс=149 °С) и в двигателе Peugeot J Р. Наряду с увеличением вязкости (KB 40), связанным с окислением, оценивают отложения на поршне и чистоту канавок поршневых колец, индуцированных старением. Другие три стандартизированных метода разработаны для оценки шламообразования. Это показатель способности масла эффективно диспергировать нерастворимые в масле остатки старения, образующиеся в процессе сгорания топлива. Нерастворимые и неадекватно диспергированные твердые частицы приводят к образованию липкого, пастообразного масляного шлама, который может заблокировать масляные каналы и фильтры, вследствие чего происходит нарушение смазки двигателя. В соответствии с М 2 Н SL и M 111 SL такой шлам должен визуально оцениваться в маслосборнике, в картере двигателя и масляных каналах, а также путем измерения перепада давления на фильтрах. Если европейские методы испытаний M 271 SL и M 111 SL выполняются в «горячем» режиме, т. е. при высоких нагрузках и скоростях, с топливом, чувствительным к нитроокислению, то метод Sequence VG в Северной Америке в основном фокусируется на низкотемпературных условиях эксплуатации двигателя, ведущих к образованию так называемого «холодного» черного шлама. Двигатель Peugeot ТU 3 применяется для контроля критического износа привода клапана, который может повлиять на регулирование момента зажигания в двигателе.После проведения программы испытаний с переменной нагрузкой оценивают образование задиров на кулачках и питтинга на толкателях клапанов.
 Испытание на легких дизельных двигателях — метод исключительно   европейский, так как такие двигатели становятся все более популярными в Европе. Первое место опять-таки занимает определение окислительной стабильности и специфической для дизельных двигателей дисперсии сажи. При повышении давления впрыска образование сажи усиливалось, и вязкость масла увеличивалась почти на 500%, повышалась также температура сгорания. Эти критерии, а также их влияние на выхлопные газы испытывают на двигателе VW 1,6 л с промежуточным охладителем и на Peugeot XUD 11 (увеличение вязкости). Необходимо избегать и побочных эффектов, связанных с износом цилиндров и кулачков, а также полирования внутренней поверхности гильзы цилиндра, так как это может послужить причиной для проведения хонингования. В программу испытаний был также включен так называемый многоцелевой испытательный двигатель ОМ 02 А.
 В 2003 г. программа разработки масел для дизельных двигателей   ОМ 611 DE 22 LA была дополнена важным дополнительным многоцелевым методом испытаний. Этот метод применим по отношению к современным малосернистым дизельным видам топлива, которые после 300-часового пробега в двигателе образуют до 8% сажи. Для таких условий требуются моторные масла с экстремально хорошими диспергирующими способностями по отношению к саже, для исключения возможности сильного увеличения вязкости и износа. Новые специальные методы испытания автомобилестроителей обладают жесткими критериями удлинения сроков смены масла и сбережения топлива. Постановка таких противоречивых целей, как снижение вязкости и большая надежность, с другой стороны, является серьезным вызовом для производителей моторных масел.

 Моторные масла для коммерческих автотракторных средств

К коммерческим автотракторным средствам относят грузовые автомобили, автобусы, тракторы, уборочные комбайны, строительную и стационарную технику с дизельными двигателями. Наряду с дизельными двигателями с форкамерами, которые в Европе в основном заменяются на двигатели с прямым впрыском, большинство из них снабжены высоким турбонаддувом. Экономические и экологические аспекты, связанные с высоким давлением впрыска топлива, способствовали улучшению сгорания топлива и, следовательно, снижению выбросов. По инициативе АСЕ А сроки смены масла были увеличены до 10 тыс. км при перевозках на дальние расстояния. Ниже подробно рассматриваются фундаментальные различия между дизельными и бензиновыми двигателями.
 Долговечность и надежность являются критериями оценки коммерческого   автотракторного сектора. Масла для очень тяжелых условий работы (HD) должны отвечать этим требованиям. Доминирующими требованиями являются способность диспергирования высоких концентраций частиц нагара, а также нейтрализация сернокислотных побочных продуктов сгорания. Характеристики масел также оценивают по чистоте поршня, износу и полировке внутренней поверхности цилиндра. Окисление и отложения, связанные с нагаром, происходящие в основном в канавке верхнего поршневого кольца, приводят к плохому состоянию поршней и усиленному износу. Это, в свою очередь, приводит к истиранию моделей (рисунков хонингования) в цилиндрах, проблеме, более известной как полирование внутренней поверхности гильзы цилиндра. Результатом этого является увеличение расхода масла и плохая смазка поршня, потому что масло не может улавливаться хонинговальными кольцами. Неадекватное диспергирование нагара и шлама, а также химическая коррозия могут привести к преждевременному износу подшипников. И, наконец, передовые дизельные двигатели с турбонаддувом также должны быть оценены. Обычно газы прорыва увлекают в выхлопные газы некоторое количество масляного тумана, а системы турбонаддува очень чувствительны к нестабильным компонентам HD масла.
 В общем, в   HD можно найти все категории масел, причем они располагаются по нарастающей по тяжести условий эксплуатации:
 • масла для тяжелых условий работы (   HD);
 • масла для очень тяжелых (жестких) условий работы   (SHPD);
 • масла для крайне (экстремально) тяжелых условий работы (   XHPD).
 Несмотря на многочисленные попытки использования отработанных методов   испытаний для получения необходимой информации, теперь применяют 4- и 6-цилиндровые двигатели для испытания основных эксплуатационных характеристик моторных масел в 400-часовых испытаниях, которые заменили первоначальные на одноцилиндровых испытательных двигателях (MWMB: PetterAWB).
 Кроме вышеупомянутых многоцелевых испытательных двигателей   ОМ 602 и ОM 611, европейские спецификации предусматривают обязательные испытания на двигателе Daimler—Chrysler ОМ 364 LA или ОМ 441 LA. Оба метода испытаний применяются только к XHPD маслам (со сменой масла через 100 тыс. км пробега). При испытаниях определяют и оценивают чистоту поршней, износ цилиндров и полирование гильзы цилиндра. Особенно в ОМ 441 LA, где зарегистрированы отложения на системе турбонаддува, а также повышение давления. Критерий загущения масла, индуцированный сажей, оценивают по методу ASTM (на двигателе Mack T 8)
 Независимо от класса вязкости и примененного базового масла, классические   HD масла имеют большой запас щелочности и, следовательно, высокое содержание солей щелочно-земельных металлов и органических кислот. Что касается беззольных диспергирующих агентов, то масла рассчитаны на диспергирование сажи (нагара). Во избежание образования дополнительных отложений в масле, как правило, вводят специальные вязкостные присадки.
 Масла, предназначенные для обслуживания автомобильных парков,   сталкиваются с особыми проблемами. В отличие от специализированных продуктов, маслам приходится одновременно удовлетворять множество «прихотей» легковых и грузовых автомобилей. Высокими концентрациями высокощелочных мыл для обеспечения чистоты поршней приходится жертвовать, потому что бензиновые двигатели склонны к самовоспламенению в присутствии высоких концентраций металлсодержащих детергентов. Поэтому приходится подбирать другие компоненты, например умелое применение нетрадиционных базовых масел наряду с детергентами, диспергирующими агентами, присадками, улучшающими индекс вязкости, и антиоксидантами.

 Классификация моторных масел по спецификациям

Как уже ранее упоминалось, физических и химических свойств недостаточно при выборе наилучшего масла для двигателя. Сложные и дорогостоящие практические и стендовые моторные испытания проводятся для оценки и понимания характери

Военные спецификации
Эти спецификации впервые были разработаны вооруженными силами США, они регламентируют минимальные требования к моторным маслам, применяемым в военной технике. Военные спецификации основаны на определенных физико-химических данных и некоторых стандартных методах моторных испытаний. В прошлом эти спецификации также применялись в гражданском секторе для определения качества моторных масел, но в последние годы почти исчезли с германского рынка. Спецификации от MIL-L -46152 А до MIL-L -46152 теперь отменены. Моторные масла, отвечающие требованиям этих спецификаций, пригодны для применения в американских бензиновых и дизельных двигателях. MIL-L -46152 E (отмененная в 1991 г.) соответствует API SG/CC. MIL-L- 2I04 C классифицирует моторные масла с высоким содержанием присадок для бензиновых и дизельных двигателей как с нормальным всасыванием, так и с турбонаддувом. MIL-L -2I04 D перекрывает MIL-L -2104 C и требует дополнительного испытания в 2-тактном дизельном двигателе Detroit с высоким надувом. Кроме того, должны быть удовлетворены требования спецификаций Caterpillar ТО и Allison С -3. MIL-L -2104 E по содержанию аналогична MIL-L -2104 C. Испытания на бензиновом двигателе были пересмотрены и включают более строгие методы испытаний (Seg 111 E/Seg. VE).

Классификация API и ILSAC

API совместно с ASTM и SAE разработали классификацию, в которой моторные масла сортируют в соответствии с предъявляемыми к ним требованиями с учетом конструкций существующих двигателей (табл. 4). Масла подвергаются стандартным моторным испытаниям. API выделяет класс моторных масел для бензиновых двигателей, работающих в легких условиях (S — service oils), и для дизельных двигателей (С — commercial, коммерческие автотранспортные средства). Пока дизельные двигатели на легковых автомобилях не превышают численностью бензиновые, но в последние годы они набирают оборот и спрос на них в США непрерывно растет. Кроме того, определен ряд преимуществ, связанных с экономией топлива (ЕС — энергосбережение).