1. Умови роботи і функції моторних масел
Моторні масла призначені для змазування поршневих двигунів внутрішнього згоряння, що мають велику кількість рухомих і труться між собою деталей.
Сучасні двигуни внутрішнього згоряння постійно вдосконалюються, при цьому вимагаючи все більш жорстких норм якості для моторних масел. Це пов'язано і з питомою зростанням потужності з об'єму циліндрів двигуна, і з ускладненням систем уприскування палива, і з погіршенням його якості, і зі збільшенням питомих навантажень на двигун, і з тенденціями збільшення інтервалів заміни моторного масла. Зменшився обсяг масляного картера, що означає і зменшення обсягу заливається моторного масла.
З ростом швидкостей на автострадах зростають робочі температури масла. Наприклад, при збільшенні швидкості руху з 80 до 140 км / год температура в масляному картері збільшується зі 100-110 ° С до 13О ° С. Все це підвищило вимоги до термічної стійкості сучасних масел. Зимова ж експлуатація автомобіля в умовах коротких поїздок в місті, призводить до того, що моторне масло часто працює при температурах не вище 50 ° С, що заважає роботі хімічних присадок до масла, сильно залежних від температури, і збільшує низькотемпературні відкладення.
Моторні масла повинні виконувати наступні функції в двигуні:
1. Змащувати деталі, створюючи міцну тонку масляну плівку на поверхнях, виключаючи сухе тертя контактуючих деталей, особливо при критичних навантаженнях;
2. Охолоджувати нагріваються деталі, тобто швидко відводити тепло з локальних нагревов;
3. Ущільнювати зазор між циліндром і поршнем і не допускати прориву газів з камери внутрішнього згоряння в картер автомобіля;
4. Змивати продукти високотемпературних відкладень з поверхонь деталей;
5. Підтримувати продукти окислення, зносу і забруднення в підвішеному стані у вигляді емульсії, не давати їм осідати на нагріті поверхні двигуна і виносити їх із зони тертя;
6. Оберігати деталі двигуна від корозії;
7. Нейтралізовувати органічні кислоти, які утворюються при згорянні палива і окисленні масла.
2. Склад моторних масел
Присадки - це хімічно активні речовини, які покращують властивості масла і формують його структуру.
Якість моторних масел безпосередньо залежить від якості базового масла. За допомогою присадок можна підвищити експлуатаційні властивості моторних масел, виготовлених з не найкращих сортів базових масел. Але при експлуатації, особливо при високих навантаженнях, присадки руйнуються в першу чергу, і кінцеву якість моторного масла, який пропрацював в двигуні 50% і більше покладеного терміну, визначається якістю базового масла. Чим вище якість базового масла і меншу кількість присадок містить масло, тим на довший термін зберігає воно свої робочі властивості. Цим і пояснюються такі факти, коли два моторних масла одного типу і якості, але різних виробників працюють в двигунах зовсім по-різному і мають різні відгуки автовласників.
Звичайно, споживач, як і продавець, практично ніяк не може дізнатися справжнє якість моторного масла, і змушений задовольнятися інформацією виробників масла, яку вони побажають уявити, і яка, на жаль, не завжди відповідає дійсності.
3. Властивості моторних масел
Вязкость- це властивість матеріалу чинити опір плинності. Це основна характеристика масла, по величині якої робиться вибір масла для застосування. З підвищенням температури в'язкість масла зменшується, тобто воно розріджується. Див. Рис.3.
Моторне масло повинне володіти стабільною в'язкістю у всьому діапазоні робочих температур навколишнього повітря, наприклад, від -30 ° С до +35 о С. Залежність зміни в'язкості масла від зміни температури характеризує ІНДЕКС В'ЯЗКОСТІ (сокращенноVI, viscosity index, «viscosity» - в'язкість).
Чим більше числове значення індексу в'язкості, тим менше змінюється в'язкість масла при зміні температури, тобто структура масла залишається більш стабільною від моменту пуску двигуна до максимальних навантажень. Див. Рис.4. Розрізняють індекс в'язкості базового масла і індекс в'язкості моторного масла. У технічних характеристиках, які публікують виробники масел, вказуються індекси в'язкості готових продуктів.
Протизносні властивості - це утворення на змащуваних поверхнях надійної плівки, що запобігає безпосереднє зіткнення металевих поверхонь поршнів, циліндрів і т.д. Безпосереднє зіткнення, так зване «сухе тертя» веде до утворення задирів, мікроподряпин, що призводить до збільшення зазорів, зменшення компресії, зносу.
Антиокислювальні властивості. Окислення - це процессобразованіякіслот в маслі під впливом кисню повітря і води. Процес окислення носить характер ланцюгової реакції, при якій почалося окислення прискорюють частки металів і інших сторонніх включень, які накопичуються в маслі в результаті зношування деталей двигуна, недостатнього очищення повітря і т.д. Стійкість до окислення підвищують введенням до складу масел антиокисних присадок різного механізму дії. Антиокислювальні властивості в значній мірі визначають стійкість масла до старіння.
Антикорозійні властивості. В процесі старіння коррозионность моторних масел різко зростає внаслідок неминучих окислювальних процесів. Антикорозійні властивості багато в чому залежать від концентрації і ефективності антикорозійних, антиокислювальних присадок.
В процесі експлуатації до моторного масла пред'являються прямо протилежні вимоги. З одного боку, масло повинне добре текти, проникаючи через систему найтонших каналів двигуна при будь-яких температурах, в тому числі і взимку, забезпечуючи пуск двигуна без попереднього прогріву, безперешкодне прокачування масла насосом по мастильної системі. З іншого боку, масло має «прилипати» до поверхні металу, утворюючи надійну масляну плівку і запобігаючи «сухе» тертя при максимальних навантаженнях і літній температурі навколишнього середовища. Тобто одна і та ж порція масла повинна зберігати робочу в'язкість і в холодному, і в гарячому двигуні.
Вимогами до стабільності в'язкості від моменту пуску двигуна до робочої температури обгрунтовано поділ масел по сезонності застосування.
Всесезонні масла відповідають вимогам по в'язкості одному з зимових і одному з літніх масел одночасно, тобто мають дуже пологої залежністю в'язкості від температури (див. Рис. 4). Індекс в'язкості сезонних масел становить 90 - 105 одиниць, всесезонних- 140 - 180 одиниць.
Всесезонні масла отримують шляхом введення в базове масло спеціальних загущающих присадок, що підвищують індекс в'язкості масла і (або) використанням синтетичних компонентів в якості основи масла. Як присадок застосовуються спеціальні макрополімерние присадки - Поліізобутилен, поліакрілстіроли і ін. Механізм їх дії заснований на зміні форми макромолекул полімерів в залежності від температури. У холодному стані ці молекули, будучи згорнутими в спіральки, не впливають на в'язкість масла, при нагріванні ж вони розпрямляються, і масло густіє, або, точніше, не стає занадто рідким. Масла, до складу яких входять в'язкісні присадки (до 10%), називають загущених - це зимові та всесезонні сорти. У системах змащення сучасних двигунів застосовуються саме загущені всесезонні масла.
4. Класифікація моторних масел за складом.
Мінеральні масла (mineral)
Мінеральне базове масло отримують з нафти шляхом складної многостадийной перегонки з подальшим очищенням селективними розчинниками або гідроочищення. Масла потрібної якості виходять видаленням із сировини небажаних сірчистих і ароматичних вуглеводнів. Сучасні технології дозволяють отримувати мінеральні масла високої якості за відносно невеликий вартості, з високою приемистостью до присадкам, хорошими мастильними властивостями, їх можна використовувати в будь-яких типах двигунів, за винятком вимог, обумовлених рекомендаціями заводу-виготовлювача. Але на базі мінерального масла дуже складно розробити матеріал з високим індексом в'язкості, при впливі високих температур мінеральні масла досить швидко руйнуються, утворюючи нагар і шлами.
Синтетичні масла на основі поліальфаолефінів (ПАТ) отримують з етилену, який виробляється з природного газу або нафти - сирцю шляхом органічного синтезу. Можна сказати, що молекули масла «будуються» з мономерів. У процесі синтезу є можливість створювати масла з наперед заданими характеристиками. Ці масла не містять сполук сірки, фосфору, металів. Індекс в'язкості перевищує 140. Завдяки відсутності парафінів, вони мають низьку температуру застигання, зазвичай нижче -40 о С.
Єдиним недоліком синтетичних масел є їх висока ціна через складність технологічного процесу їх виробництва.
Синтетичні масла на ефірній основі. Іншим видом синтетичних масел є ефірні масла. В Європі їх прийнято називати естерами. Естери представляють собою складні ефіри - продукти нейтралізації карбонових кислот спиртами. Сировина для виробництва - рослинні олії, зазвичай рапсове, рідше - кокосове.
Естери мають ряд переваг перед усіма іншими відомими маслами.
v По-перше, молекули естерів полярні, тобто електричний заряд в них розподілений так, що молекула сама «прилипає» до металу деталей, що труться, що запобігають «сухе» тертя металу по металу.
v По-друге, в'язкість естерів можна задавати ще на етапі виробництва основи, це дозволяє обходитися без загущающих присадок, які швидко руйнуються в моторному маслі, або мінімізувати їх кількість, що, в свою чергу, дозволяє продовжити термін служби масла в двигуні.
v По-третє, масла на ефірній основі мають екстремально низькі температури застигання - в межах від -50 ° С до -65 о С.
v По-четверте, такі масла мають чудові миючі властивості, вони здатні краще за всіх інших типів масел розчиняти лаки і відкладення, і, нарешті, вони мають низьку випаровуваність.
Застосування масел на ефірній основі обмежує їх висока вартість. Виробництво ефірної основи в 5-10 разів дорожче мінеральної. Тому деякі виробники додають до складу моторного масла 1-5% ефірів для додання олійною плівці властивості «прилипання» до металевих деталей. Продукти, вироблені повністю на ефірній основі, зазвичай складають вершину товарного ряду компаній, що виробляють продукти Hi-end.
Типовий індекс в'язкості різних базових масел:
Ø Мінеральна основа: 60-100
Ø гидрокрекинговиє (поліпшена мінеральна) основа: 140-160
Ø Синтетична основа на базі ПАТ (поліальфаолефіни): 140
Ø Синтетична основа на базі естерів: 180-200.
Каталітичний гідрокрекінг - це спосіб отримання базових масел з нафтової сировини під впливом водню, високої температури (близько 400 ° С) і тиску (
68 атм.). У процесі виробництва відбувається «крекінг» вихідних молекул, тобто вони «переконструіруются», розщеплюються на більш дрібні й однорідні, видаляються майже всі парафіни, сірчисті і азотисті сполуки. На відміну від мінеральних масел, отриманих традиційним методом, вони, як правило, не мають забарвлення, тому фахівці називають масла, отримані методом каталітичного гідрокрекінгу білими маслами (рис.7).
За своїми фізико-хімічними властивостями масла каталітичного гідрокрекінгу мають беззаперечні переваги в порівнянні з мінеральними маслами: високі коефіцієнти в'язкості (viscosity index VI), низькі температури межі текучості, мають гарну стійкість до окислення. Вони здатні забезпечити такі ж експлуатаційні характеристики, що й синтетичні масла на основі поліальфаолефінів, але можуть проводитися в значних обсягах і за цінами, порівнянними з цінами мінеральних масел.
У зв'язку з цим багато виробників мастильних речовин почали замінювати синтетичну основу масел ПАТ на гидрокрекинговиє.