Моторне масло: характеристика, склад, основні параметри.

Як важливо змастити всі

Пари тертя в двигуні працюють в найширших діапазонах швидкостей, тисків і температур. Одні вузли змащуються під тиском, інші – розбризкуванням. Крім того, моторне масло покликане охолоджувати поршні і навіть служити робочим тілом в деяких вузлах сучасних двигунів. Все те ж масло повинно одночасно забезпечувати кілька режимів змащування, причому досить далеких один від одного за навантажень і фізико-хімічними характеристиками. А ось і приклади. Пари «підшипник – шийка колінчастого валу» працюють в умовах гідродинамічного мастила, коли тертьові поверхні розділяються міцною і надійною масляною плівкою. Тертя тут відбувається тільки між шарами масла, інакше чекай біди: руйнування вкладишів, задирів, «прихватывания» шийок. У механізмі газорозподілу картина інша. Наприклад, робота пари кулачок-штовхач» супроводжується дуже високими контактними тисками. Це призводить до пружних деформацій металу, різкого зменшення товщини масляної плівки і значного зростання в'язкості масла в зоні контакту. Такий режим мастила називається эластогидродинамическим. Змазування деталей ЦПГ (циліндра, поршня, поршневих кілець) поблизу мертвих точок відбувається в так званому граничному режимі мастила. Останній залежить як від властивостей самого масла, так і від трібологічних характеристик поверхонь змащувань деталей. А ще потрібно змащувати підшипники турбокомпресора, ланцюгові та зубчасті передачі та багато-багато інші вузли. І все це покладається на моторне масло.

Про базах

Масло, яке ми заливаємо в двигун, називається товарним. Воно являє собою ретельно вивірену суміш базового масла і присадок. Відповідно, і експлуатаційні властивості кінцевого продукту залежать від якості цих складових. Традиційно базові масла поділяють на мінеральні, синтетичні і частково синтетичні (напівсинтетичні). Точно так само класифікуються і товарні масла. Що являє собою традиційне базове мінеральне масло? Це субстанція, що містить в основному довгі молекули вуглеводнів. У добре прогрітому двигуні молекули з довжиною ланцюга менше 30-35 атомів випаровуються з плівки масла на стінках циліндрів. Це один із шляхів витрачання масла на чад. Синтетичні масла конструюють таким чином, щоб потрапити в діапазон 30-50 атомів вуглецю в ланцюгу. Їх структура однорідна, найчастіше це изопарафины. Тому синтетичні масла значно менше випаровуються і менш схильні до утворення відкладень. Напівсинтетичні масла на 70-75% складаються з мінеральних складових, наслідуючи деяку частину їх недоліків. І тут корисно згадати про гидрокрекинговых оліях. Для їх одержання використовують базові мінеральні масла, піддаючи їх жорсткій обробці під великим тиском і при високій температурі водневої середовищі в присутності каталізатора. В результаті відбувається глибока реконструкція молекул мінерального масла. Нафтени й ароматичні вуглеводні перетворюються в парафіни. А ті за своїми властивостями схожа полиальфаолефинам, одержуваним при створенні синтетичних масел. Тому гидрокрекинковые масла наближаються за характеристиками до синтетичних продуктів. А тепер поговоримо про композиції присадок до базового масла.

Подрібнити і зважити забруднення

Почнемо з присадок, ім'я яким – беззольні дисперсанти. «Беззольні» означає «з'єднання, що не містять металів» – на відміну від зольних детергентів, про яких сказано далі. А слово «дисперсанти» говорить про подрібненні і диспергирование забруднень. А адже моторне масло в процесі експлуатації забруднюється безперервно. По-перше, в нього потрапляють сторонні частинки ззовні. По-друге, воно зазнає глибокого окислення, в результаті чого утворюються нерозчинні продукти. Ось і виходить, що завдання дисперсантів – утримувати забруднення масла у дрібнодисперсному стані. Не дати їм випасти в осад! Інакше сітка маслоприемника буде забита, в картері з'являться відкладення, масляні канали виявляться закупореними згустками, що нагадують за консистенцією майонез. Але дисперсанти не тільки підтримують частки в підвішеному стані – вони сприяють подрібненню! І не допускають коагуляції, завдяки чому масляний фільтр довгий час залишається працездатним. Масло може ганяти найдрібніші частинки бруду «по колу» чи не нескінченно – вони не злипаються, не осідають, не пригорають. Що сказати на це? Правильно, нехай собі ганяє. І якщо двигуни сучасних вантажних автомобілів здатні працювати 80-100 тис. км без заміни масла і фільтра, в цьому чимала заслуга беззольний дисперсантів.

Містити деталі в чистоті

Оскільки дисперсанти борються з низькотемпературними відкладеннями (шламами), можна сказати, що вони мають миючими властивостями. Однак «миючими присадками» в класичному розумінні є зольні детергенти. Це сполуки, що містять метали – сульфонати, саліцилати, феноляты кальцію, магнію, і рідше інші. Їх завдання – запобігання утворення нагару і лакових відкладень на найбільш нагрітих ділянках деталей. В першу чергу це верхня частина поршня – твердий нагар на ній сприяє поліровці циліндра при перекладці. А поруч – поршневі канавки.

Утворення нагару в них викличе закоксовування поршневих кілець. Внутрішня поверхня днища поршня поблизу поршневого пальця просто зобов'язана бути чистою, інакше різко погіршиться відведення теплоти. А адже ця область безперервно омивається маслом – в деяких двигунах розбризкуванням, а в деяких примусово, під тиском. Відомий також принцип омивання днища, званий «коктейль-шейкер», за аналогією з діями бармена, готує коктейль. Словом, масла в цій зоні буває багато, а ось відкладень бути не повинно.

Зазвичай в масло вводять не один детергент, а їх комбінацію, наприклад сульфонати-феноляты або сульфонати-саліцилати. Більшість детергентів володіє лужними властивостями. Вони нейтралізують кислоти, що утворюються при згорянні палива та окисленні олії. Детергенти відіграють ще одну важливу роль: вони захищають деталі двигуна від іржавіння на стоянці і при роботі в уже згадуваному режимі stop and go. Справа в тому, що в обох випадках у двигуні конденсуються кислоти і відповідальні чавунні і сталеві поверхні піддаються масованої корозійної атаці. Є у детергентів ще одна цікава особливість. При експлуатації автомобіля в тропічних країнах можливо бактеріальне ураження моторного масла і палива. Причина проста: парафіни служать живильним середовищем для грибків і бактерій. Але якщо масло містить саліцилати, бактерій у ньому не буде. Швидке потемніння олії після його заміни не повинно насторожувати власника автомобіля. Потемніння означає, що дисперсанти і детергенти добре виконують свої завдання. І навпаки: якщо масло довго залишається світлим, значить, нутрощі двигуна обростають високо– і низькотемпературними відкладеннями з усіма витікаючими звідси наслідками.

Не дозволяти маслу окислюватися

Нерідко ми читаємо, що те чи інше масло має «підвищений термін служби внаслідок високої антиокислювальної стійкості». Що стоїть за цією фразою? Масло в двигуні працює у вигляді тонких плівок або, вирвавшись з-під гніту тиску, інтенсивно перемішується з повітрям. Отже, приводів для контакту з киснем у нього більш ніж достатньо. А чим загрожує такий контакт, та ще в умовах високих температур? Звичайно, окисленням. Але кисень повітря і температура не єдині причини окислення. Свою лепту вносять продукти згоряння палива і вже окислившееся масло. Для уповільнення згубного процесу в пакет включають антиокислювальні присадки. Інше їх назва – антиоксиданти або антиокислювачі. Завдання антиокислювачів – розкладання первинних продуктів окиснення вуглеводнів і переклад вільних радикалів в стабільний стан. З антиокислювачів найчастіше застосовують дитиофосфаты цинку. Однак останнім часом вони стали менш популярними у розробників масел, і ось чому. Дитиофосфаты, будучи похідними фосфорної кислоти, містять фосфор, який погано поєднується з матеріалами каталітичних нейтралізаторів відпрацьованих газів. Тому дитиофосфаты замінюють карбоматами цинку, карбоматами молібдену та іншими присадками, наприклад беззольными фенолами та ароматичними амінами. Антиокислювачі мають різні механізми дії. Якщо в пакет включають кілька антиокислювальних присадок, їх підбирають в певних поєднаннях, щоб досягти найкращого ефекту.

Якщо масло не вводити антиокислювальні присадки, його в'язкість по мірі окиснення буде зростати. Те, що це призведе до підвищеного витраті палива з-за зростання втрат на тертя, ще півбіди. Гірше інше: масло втратить працездатність, його пускові властивості стануть незадовільними. Але і це ще не все: окислена олія має корозійний вплив на антифрикційний шар вкладишів з свинцювата бронзи. Результат очевидний: несуча здатність підшипників знижується, і двигун доводиться відправляти в ремонт. Так що присадки, іменовані антиоксидантами, не даремно «їдять свій хліб».

Не дозволяти маслу пінитися

Циркулюючи в системі змащення, масло інтенсивно перемішується з повітрям. Зрозуміло, що це призводить до утворення піни. Крім того, в сучасних дизелях застосовуються насос-форсунки з гідравлічним приводом. Масло в таких вузлах працює під дуже високим тиском. Як тільки тиск стає рівним атмосферному, відбувається ефект «відкупорювання пляшки шампанського». Згадаймо: якщо відкрити теплу пляшку, та ще попередньо потрясти її, розчинність газів у вині зменшується, шампанське «скипає», утворює піну. Піна в олії не тільки знижує несучу здатність масляного клину, але і сприяє окисленню самого масла. Піноутворення особливо небезпечно для двигунів з гидротолкателями клапанів і гидронатяжителями ланцюгів ГРМ, що зрозуміло – працездатність цих вузлів у присутності піни різко знижується. Для боротьби з піноутворенням в масло додають тисячні частки відсотка силіконів. У маслі вони не розчиняються, однак диспергуються настільки тонко, що в кожному елементарному об'ємі масла виявляється деяка кількість стороннього нерозчиненого речовини. Пінний бульбашка «проколюється» цим инорордным тілом і лопається. Таким чином, введення антипінних присадок дозволяє придушити піноутворення. Особливо ефективно вони працюють в оліях, «обкатаних» у великому спорті. Адже двигуни там розвивають дуже високі обороти, з божевільною швидкістю ганяючи масло по системі.

Мінімізувати зношування деталей

За рекламними фразами типу «Прекрасний захист від зносу і задирів» теж стоять сучасні присадки – протизносні. Вони особливо важливі для пар тертя, що працюють в эластогидродинамическом режимі мастила, коли на поверхнях деталей виникають високі питомі тиску.

Вихід тут один – хімічна модифікація поверхонь тертя. Тоді в парі починають взаємодіяти не метал з металом, а модифіковані шари. Зусилля і коефіцієнт тертя при цьому знижуються. Модифікувати поверхні тертя здатні вже знайомі нам дитиофосфаты металів, у тому числі дитиофосфаты цинку. Таким чином, дитиофосфаты – це багатофункціональні присадки, в тому числі захищають механізм газорозподілу від підвищеного зносу і задирака.

Втім, про це варто поговорити докладніше. Ще в минулому столітті вчений П. А. Ребиндер встановив, що поверхнево-активні речовини (ПАР) сприяють руйнування кристалічної структури металу на поверхнях тертя. Як тільки в металі з'являється мікротріщина, Пави впроваджуються туди і «розклинюють» її. Це явище отримало назву «ефект Ребиндера».

Але ж добре знайомі нам детергенти не що інше, як Пави! Значить, вони сприяють питтингу в эластогидродинамическом режимі мастила? На жаль, так. Однак не все так страшно – дитиофосфаты цинку та інші протизносні присадки здатні перебороти побічна дія детергентів і запобігти питтинг і задираки тертьових поверхонь. А коли питтинг все ж з'явився, значить, в даному олії дитиофосфаты цинку вже вироблені, а детергенти – ще немає. А ось при експлуатації двигунів на високоякісних оліях зі своєчасної їх заміною питтинг не з'явиться ніколи.

Дитиофосфаты цинку та інші протизносні присадки здатні перебороти побічна дія детергентів і запобігти питтинг і задираки тертьових поверхонь. А коли питтинг все ж з'явився, значить, в даному олії дитиофосфаты цинку вже вироблені, а детергенти - ще немає.

Однак, як не парадоксально це звучить, детергенти теж виконують протизносні функції, і користь від них вельми відчутна. Вони нейтралізують кислоти, зменшуючи корозійний знос циліндрів, поршневих кілець підшипників.

На вибір конкретних протизносних присадок впливає не тільки їх здатність виконувати свої прямі обов'язки, але і термічна і гідролітична стабільність, корозійна агресивність по відношенню до кольоровим (зокрема, мідним) сплавів, вплив на стабільність змащувальних властивостей масла і багато інші фактори. Можна висловитися і простіше: вирішуючи свої завдання, протизносні присадки не повинні шкодити своїм «сусідів» по композиції.

Зменшити тертя

Розробники масел вводять у свої продукти модифікатори тертя, звані також антифрикційними присадками. Їх завдання – зниження коефіцієнтів тертя в умовах граничного і эластогидродинамической мастил. Не слід плутати модифікатори тертя з протизносними присадками, хоча відомі модифікатори, що поєднують функції і тих і інших.

Що таке модифікатор тертя? Це з'єднання, що утворює на поверхні деталі мономолекулярный шар з дуже довгими радикалами, зверненими в об'єм масла. Причому ці радикали мають властивість легко деформуватися в напрямку дії сили тертя.

Проілюструвати сказане можна на такому прикладі. Перед нами... чистильник взуття, озброєний двома шевськими щітками. Перш ніж приступити до поліруванню туфель, він легко тре одну щітку про іншу, і дивіться – на туфлю лягає ворс, зорієнтований в потрібному напрямку! А ось одежні щітки терти один про одного безглуздо – вони будуть відскакувати, упиратися, чинити опір, і правильно – завдання у жорсткої щетини зовсім інша, ніж у м'якого ворсу. Так от, «м'який ворс» модифікатора зменшує тертя – наприклад, в зоні верхньої мертвої точки поршня, де порушується гідродинамічний і виникає граничний режим мастила. Модифікатори тертя додають до енергозберігаючих масел, оскільки вони здатні забезпечити економію палива в декілька відсотків. В якості антифрикційних присадок використовують граничні кислоти, спирти та аміни, графіт, дисульфід молібдену та деякі інші речовини. До речі, графіт і дисульфід молібдену можна назвати присадками лише умовно – вони не розчиняються в олії і при тривалому зберіганні можуть випасти в осад.

Зберегти деталі від корродірованіе і іржавіння

Насамперед невеличке лінгвістичне уточнення. Так вже склалося, що термін «корродірованіе» розробники масел і присадок відносять до кольорових металів і сплавів, а «іржавіння» – до сталі і чавуну. Відповідно, вони вводять в композицію антикорозійні та антиржавейные присадки, націлені на захист «кольорових» і «чорних» деталей двигуна. Для запобігання процесів, прискорюють корозійно-механічне зношування, існують спеціальні інгібітори. Вони або нейтралізують корозійно-активні речовини, що містяться в олії, або утворюють на деталях захисну плівку, закріплюючись на поверхні металу за рахунок фізичної адсорбції або хімічної взаємодії. В обох випадках швидкості руйнування деталей істотно знижуються. Деякі антикорозійні присадки утворюють на поверхні деталі захисний шар із з'єднань свинцю і міді. Важливо, щоб він був стійким до дії детергентів і дисперсантів.

Відрегулювати в'язкість і перемогти застигання масла

Присадки, що поліпшують в'язкісно-температурні властивості моторних масел, називають загусниками. Це маслорастворимые органічні полімери, а механізм їх дії заснований на зміні форми макромолекул в залежності від температури. Загусники здатні істотно збільшувати в'язкість продукту при позитивних температурах і в меншій мірі – при негативних. Чим це добре для двигуна? По-перше, забезпечується хороші пускові властивості при низьких температурах; по-друге, гарантується достатня несуча здатність масляного шару при високих, навіть екстремальних, теплових навантаженнях. Часто доводиться читати або чути, що всесезонне моторне масло, загущене макрополимерными присадками, сприяє економії палива. Чому так? Фахівці дають на це питання вичерпну відповідь. В'язкість загущених олив залежить як від температури, так і від градієнта швидкості зсуву, який визначається як функція величини зазору між парами і швидкості руху однієї смазываемой поверхні відносно іншої. Опускаючи складні викладки, зупинимося на подібному тлумаченні явища: загущене масло здатне як би «підлаштовувати» свою в'язкість під швидкість відносного переміщення деталей і зміни теплових зазорів в парах тертя. Саме цим пояснюється зменшення витрати палива в коротких міських поїздках, коли двигун не прогрівається до оптимальної температури – зрозуміло, в порівнянні з незагущенным сезонним моторним маслом. У сильні холоди масло застигає, втрачає текучість. Це відбувається за рахунок утворення парафінової «сітки», яка розростається по мірі зниження температури. Тому в масло вводять спеціальні присадки, звані депресорними. Вони впливають на кристали парафіну, не даючи їм вирости. До складу стандартної композиції загусники і депресорні присадки не входять. Виробники масел додають їх у базові масла автономно.