Общая характеристика моторных масел

 

Моторные масла – это масла, предназначенные для поршневых двигателей внутреннего сгорания, а их основная функция – уменьшение трения и износа деталей двигателя путем создания прочной тонкой пленки на поверхности трущихся деталей. Однако моторные масла должны обеспечивать выполнение и других функций, не менее важных для работоспособности двигателей в течение заданного ресурса, а именно:

- предотвращение прорыва газов из надпоршневого пространства в картер путем уплотнения зазоров в цилиндропоршневой группе;

- охлаждение поршней, подшипников коленчатого вала и других деталей в результате их нагрева от сгорания топлива и трения;

- защита двигателя от коррозии при работе и длительной стоянке;

- предотвращение образования нагара и лукообразных отложений, нарушающих теплоотвод от поршней и подвижность поршневых колец;

- нейтрализация кислот, образующихся при окислении масла и сгорании топлива;

- обеспечение быстрого увеличения давления в смазываемых узлах при холодном пуске двигателя;

- предотвращение выпадения осадков в картере, маслопроводах, на сетке маслоприемника, под крышкой механизма газораспределения, крышкой привода агрегатов и поддержание продуктов старения и износа в виде стойкой эмульсии с последующим выносом продуктов из зоны трения.

Кроме того, моторные масла должны быть совместимы с материалами уплотнителей (резинами) и катализаторами нейтрализатора отработавших газов, не должны оказывать отрицательного влияния на работоспособность свечей зажигания и вызывать преждевременное воспламенение рабочей смеси из-за образования зольных отложений в камерах сгорания.

Выполнение данных функций обусловлено исключительно тяжелыми условиями использования моторных масел, так как одна и та же порция масла длительное время подвергается ежесекундным перепадам тепловых и механических нагрузок, поскольку условия смазки различных узлов двигателя далеко не одинаковы (давление в некоторых узлах достигает 500 МПа, а температура 2500 °С). Кроме того, в картерной части двигателя масло находится в виде мельчайших капель, создавая масляный туман. Большая часть поверхности масла контактирует с кислородом воздуха, масло подвергается воздействию газов, прорывающихся из камеры сгорания в картер, а также контактирует с различными металлами, водой и разбавляется топливными фракциями, не успевшими сгореть. Это вызывает глубокие химические превращения, подвергает масло окислению и загрязнению.

В зависимости от условий работы масла в двигателе различают три зоны:

высокотемпературную – камера сгорания, обращенная к ней поверхность днища поршня и верхняя часть цилиндра. Днище поршня нагревается до 400 °С, выпускной клапан – до 800 °С, а температура горящих газов достигает 2500 °С;

среднетемпературную – поршень с поршневыми кольцами и пальцем, верхняя часть шатуна и стенки цилиндра. Максимальная температура в этой зоне наблюдается в области поршневых колец и составляет около 350 °С;

низкотемпературную – коленчатый вал, стенки блока цилиндров, картер. Температура в области коренных и шатунных подшипников достигает 180 °С.

В высокотемпературной зоне за счет попадания в нее части масла оно претерпевает глубокие химические превращения, а часть масла сгорает. Продукты сгорания осаждаются на деталях двигателя в виде нагаров, кокса и лаков. Нагары отлагаются на днище поршня, верхнем поясе его цилиндрической части, т. е. над первым компрессионным кольцом, внутренней поверхности головок цилиндров и клапанах. Они усиливают абразивное действие, а также являются своего рода изолятором, затрудняющим теплопередачу от деталей двигателя, а также способствуют возникновению детонации и калильного зажигания.

Отрываясь от поверхности деталей, частицы нагара загрязняют работающее масло. Нагары классифицируются на твердые, рыхлые и чешуйчатые.

В результате коксования топлива и лака на поверхностях деталей цилиндропоршневой группы, не контактирующих с зоной горения, образуется кокс в виде наростов толщиной до 200 мкм. По внешнему виду и химическому составу он близок к нагарам.

В среднетемпературной зоне высокотемпературные газовые потоки, прорывающиеся через неплотности из камеры сгорания в картерную часть двигателя, вызывают окисление масла. В этих условиях углеводороды масла недостаточно стабильны. В результате происходит образование отложений в виде лаков. На интенсивность лакообразования оказывает влияние степень дисперсности в масле механических примесей органического происхождения. Степень загрязненности деталей лаковыми отложениями определяют по цвету, который изменяется от светло-коричневого до черного.

Наибольшую опасность лаковые отложения представляют для поршневых колец, так как вместе с внедрившимися в них твердыми частичками нагара вызывают пригорание поршневых колец, т. е. полную потерю ими подвижности. В результате усиливается прорыв газов в картерную часть двигателя, и ухудшаются условия работы масла.

В средне-и низкотемпературной зонах прогретого двигателя масло способно интенсивно испаряться, т. е. оно недостаточно стабильно при повышенных температурах. В результате испарения количество масла в системе смазки уменьшается, а его качество ухудшается.

Несмотря на довольно мягкий тепловой режим в низкотемпературной зоне, в ней наблюдается процесс образования осадков, которые представляют собой студнеобразную массу, отлагающуюся в поддоне картера, а также на стенках блоков цилиндров и в коробке газораспределительного механизма. Образование осадков связано с прорывом газов в картер, которые содержат сажу, продукты окисления масла, водяные пары, кислоты. Водяные пары, омывая холодные стенки картера, клапанной коробки и других деталей, конденсируются, и жидкая фаза проникает в масло. Окисленные продукты износа или коррозии в присутствии воды образуют мыла, которые плохо растворяются в масле и при низкой температуре выпадают в осадок в виде шлама. Асфальто-смолистые компоненты, которые содержатся в осадке, придают ему липкость. Низкотемпературные отложения способны забивать маслопроводы и сетку маслоприемника, что приводит к выходу двигателей из строя. Интенсивность осадкообразования зависит от степени изношенности двигателя и, следовательно, от объема прорывающихся газов.

Кроме того, при работе двигателя и циркуляции масла образуется масляная пена. Пена появляется в результате работы реактивных масляных центрифуг, а также наличия зон разрежения в подшипниках. Работа масляного насоса с большим запасом производительности при колебаниях двигателя и наклонах автомобиля захватывает не только масло, но и воздух. При большом пенообразовании возможен выход деталей двигателя из строя из-за недостаточной подачи масла к трущимся поверхностям.

По составу базового масла различают три типа моторных масел: минеральные, частично синтетические (гидрокрекинговые и полусинтетические), полностью синтетические.

Минеральные масла изготавливаются из нефти путем очистки соответствующих фракций от нежелательных веществ. Различают дистиллятные и остаточные фракции минеральных масел. Первые получают при вакуумном разделении мазута на фракции, вторые – это остаток от перегонки. Таким образом, минеральные масла состоят из сложных смесей углеводородов, содержащихся в нефти. Известны три химических вида минеральных масел: парафиновые, нафтеновые, ароматические.

Дистиллятные фракции служат основой зимних и всесезонных масел, остаточные входят в состав летних масел в смеси с дистиллятными. Для обеспечения требуемого уровня эксплуатационных характеристик такие масла обычно содержат большое количество различных присадок, которые имеют обыкновение в процессе эксплуатации довольно быстро разрушаться, вследствие чего такие масла требуют более частой замены.

Требования к стойкости против окисления, испаряемости, вязкостно-температурным свойствам моторных масел возросли настолько, что даже из отборных нефтей с применением лучших технологий очистки масляных фракций не представляется возможным вырабатывать минеральные базовые масла, обеспечивающие получение конечного продукта с необходимыми свойствами и сроками службы. Это привело к использованию гидрокрекинговых и полусинтетических базовых масел.

Гидрокрекинговые масла (leichtlauf, extra high performance, extra wigh performance) изготавливают из базовых минеральных масел, получаемых в процессе гидрокрекинга из нефти, и комплекса присадок.

Рассмотрим технологию молекулярного преобразования – Moleculary Converted (MC). В основе этой технологии – принцип каталитического гидрокрекинга, позволяющий получать базовые масла с улучшенной молекулярной структурой. Упрощенная схема получения МС-базового масла представлена на рисунке 2.

МС-базовое масло имеет измененную молекулярную структуру, которая делает его стойким к механическим, термическим и химическим воздействиям и сохраняет заданные свойства на протяжении всего срока эксплуатации.

Далее путем введения в МС-базовое масло специальных присадок получают готовое к использованию МС-моторное масло. Применение МС-технологии позволяет:

- получить минеральные масла с эксплуатационными характеристиками, которые практически равны характеристикам синтетических масел (низкая температура застывания, удлиненный интервал замены, стойкость к высоким температурам, пониженная летучесть и горючесть);

- устранить несовместимость компонентов синтетических масел с материалами резинотехнических деталей (сальников) двигателей, для которых рекомендуется применение минерального моторного масла (отечественные автомобили и иномарки 80-х – начала 90-х годов выпуска);

- снизить стоимость моторных масел по сравнению с синтетическими.

Рис. 2. Схема технологии изготовления гидрокрекинговых базовых масел.

Некоторые производители называют минеральные масла, улучшенные с помощью гидрокрекинга, полусинтетическими или даже синтетическими.

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 %.

Данные масла улучшают условия пуска холодного двигателя, эффективно очищают двигатель и обеспечивают хорошую защиту от износа.

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.

Получаемые масла обладают лучшими противоизносными свойствами, более пологой вязкостно-температурной характеристикой, выдерживают высокие рабочие температуры (до 300 °С), не провоцируют коррозии металлов в отличие от минеральных и не вызывают набухания и размягчения натуральной и синтетической резины в отличие от эфирных 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 (некорродируют 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 коррозионность. Однако они имеют низкую температуру кипения и высокую температуру замерзания при очень крутой вязкостно-температурной кривой, что существенно снижает их применение.

Хлорфторуглеводородные масла обладают более высокой температурой кипения, лучшими вязкостно-температурными свойствами и смазывающей способностью, но несколько худшими термической и химической стабильностью.

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

1) молекулу масла получают из «кирпичиков-мономеров»;

2) молекулу «переконструируют» таким образом, чтобы она соответствовала «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 количеством 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 15 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 [2, 6, 7].

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

 

Таблица 15

Характеристики минеральных и синтетических масел

 

Показатель	Минеральное масло	Синтетическое масло
диэфирное	полиалкен-гликолевое	полисилоксановое	фторуглеродное
Кинематическая вязкость, мм^2/с, при 100 °С	2,5	3,2	3,2	3,5	–
Индекс вязкости		140–150	135–180
Температура вспышки, °С					–
Температурный предел работоспособности, °С			260–300		400–500
Температура застывания, °С	–40…–73	–43…–63	–53…–63	–63…–100	–3…–23
Потери на испарение при 100 °С за 22 ч, %		0,1	0,1	0,1