Моторни масла: състав, класификация, методи на изпитания, одобрения

1. Състав на моторните масла

   Моторните масла представляват сложни смеси, които най-добре може да се характеризират, като съединения, състоящи се от базови масла и присадки. В сравнение с другите групи смазочни материали базовите масла играят много важна роля. Може да се каже, че базовите масла се подбират така, че по вискозитет и функционални характеристики принципиално да съответстват на класификациите. Крайните продукти са полусинтетични (масла от хидрокрекинг) или синтетични моторни масла, създадени на база минерални масла.
   Международна номенклатура подразделя базовите масла на шест групи:
   • Група 1. Разтворими нисковискозитетни масла със съдържание на наситени въглеводороди < 90%, 80 < ВИ < 120, съдържание S > 0,03%.
   • Група 2. Масла от хидрокрекинг със съдържание на наситени въглеводороди > 90%, 80 < ВИ < 120, съдържание S < 0,03%.
   • Група 3. Масла от хидрокрекинг със съдържание на наситени въглеводороди > 90%, ВИ > 120, съдържание S < 0,03%.
   • Група 4. ПАО.
   • Група 5. Сложни естери и др.
   • Група 6. Продукти от олигомеризация на олефини с вътрешни двойни връзки.

1.1. Присадки

В зависимост от използваното базово масло и изискваните характеристики на двигателя моторните масла могат да съдържат до 30 различни присадки, процентното съдържание, на които може да варира от 5 до 25%. В производството на базовите масла се различават функционални, вискозитетни и подобряващи течливостта присадки. По принцип, функционалните присадки са най-голяма група.

1.2. Функционални присадки

Следва таблица с химически вещества под общото име „Функционални присадки” (табл.1).

   Тези категории вещества изпълняват повече от една функция. Това е нормално за моторните масла. Цинковият диалкилдитиофосфат, например основно се явява противоизносна присадка, а така също оказва антиокислително действие благодарение на специфичния механизъм на разлагане. Освен това, сложните композиции от индивидуални компоненти обичайно показват синергетични и антагонистични взаимодействия, които трябва да съответстват на конкретна област на използване. Съставът на компонентите на базовите масла оказва допълнително влияние на тези специфични взаимодействия. Следователно, за създаването на оптимален състав на моторното масло се изисква наличие на голям опит и провеждане на нови разработки.

1.3. Вискозитетни присадки

Вискозитетните присадки може да се разделят на две групи: неполярни, недиспергиращи и полярни, диспергиращи присадки. Първата група е необходима само за установяване на вискозитета на всесезонните масла. Вискозитетните присадки увеличават вискозитета на маслата и вискозитетния индекс, чрез изменение на разтворимостта при различни температури. В зависимост от химическaта структура и растворимост в базовото масло, при абсолютна концентрация от 0,2 до 1,0%, те могат да увеличават вискозитета на 50-200%. Благодарение на специалните модификации диспергиращите вискозитетни присадки често се използват в ролята на безпепелни дисперсанти, притежаващи допълнителни сгъстяващи ефекти. Освен това, вискозитетните и депресивни присадки влияят на вискозитета на съединенията при ниски температури (измерване температурата на застиване, с помощта наCCSиMRV) и оказват силно влияние на вискозитета при високи температури. Днес в САЩ се въвеждат такива допълнителни изисквания към нискотемпературна стабилност (определени значения на индекса на желатинизиране), които са недостижими без правилно подбрано  базово масло на вискозитетните и депресивни присадки.

2. Характеристики и изпитания

За достигане на яснота в класификациите и спецификациите на моторните масла по вискозитет да разгледаме подробно методите и техните изпитания.

2.1. Физични и химични методи на изпитания

Физико-химичните свойства на моторните масла обичайно се оценяват със стандартни методи в лаборатории. Тази оценка основно се фокусира на реологични опитни значения, като и по-рано разгледана класификационна системаSAE.
   За точно определяне на ниско и високотемпературен вискозитет се използват различни вискозитетни методи на изпитания. Определен така вискозитета е характерен за моторни масла в определено състояние на двигателя. При ниски температури (от —10 до —40 °С) за определяне на очевидния вискозитет се използваMRVминиротационен вискозиметър) с нисък градиент; така се определя течливостта на маслата в зоната на маслената помпа. Освен това, максималния вискозитет, като прагова величина се определя в пет градуировани степени. ДинамичниятCCS(имитатор на студено въртене на коляновия вал) вискозитет, които се определя при температура от -10 до -40 °С с висок градиент, също така се явява очевиден вискозитет, отразяващ трибологичните условия на коляновия вал по време на студен пуск на двигателя. Максималните значения, заложени вSAE J300, гарантират надеждна циркулация на маслата във фаза на стартиране.
   Динамичният вискозитет при температура 150 °С и скорости на преплъзване 10⁶с^-1, т. е. висок температури и високи скорости на преплъзване (HTHS), описва реологичните характеристики при високи термични натоварвания, при работа на пълна мощност. Съответстващите прагови значения, също така гарантират смазочния филм, удовлетворяващи всички изисквания даже в тези условия.
   Наред с реологичните характеристики, изпитанията по НОАК, изпитанията на моторните масла и присадки на изпаряемост, а така също на склонност към пенообразуване и деаерация могат да бъдат характеризирани и с помощта на прости методи. Освен това, съвместимостта на високолегираните масла с уплътненията се изпитват на стандартни еталонни еластомери,чрез статични методи на изпитания на набъбване с последващо удължаване.

2.2. Моторни изпитания

Тъй като проверката на моторните масла, чрез продължителни експлоатационни изпитания не дава реална възможност за оценка на техните качества, редица международни комитети са учредили методи на изпитания в определени опитни двигатели, работещи във възпроизводими и практически релевантни условия. В Европа за изпитание, допуски и стандартизация на маслата отговаряСЕС(Координационен европейски съвет по разработка и провеждане изпитания на смазочните материали и горива). ИзискваниятаАСЕА(Европейска асоциация на автомобилните конструктори) към експлоатационните характеристики се установяват във форма на последователни методи на изпитания на маслата, разработени съвместно с производителите на присадки и смазочни материали. В САЩ тази задача изпълнява автомобилната промишленост и Американския нефтен институт (API). Този институт разработва методите на изпитания и пределно допустимите значения. Азиатският комитетILSACосновно приема американските спецификации на автомобилните смазочни материали.
   Методите на изпитания се фокусират на следните общи оценъчни критерии:
   • окисление и термична стабилност;
   • дисперсия на частиците сажди и прах;
   • защита от износване и корозия;
   • устойчивост към пенообразуване.
Спецификациите на изпитателните методи на моторните масла са разработени диференцирано за бензинови и дизелови двигатели на леки и товарни автомобили, като всеки изпитан двигател се характеризира по един или по група критерии. В табл. 2 и 3 са приведени съответстващи критерии за бензинови и дизелови двигатели.

2.3. Моторни масла за леки автомобили

Към двигателите на леките автомобили се отнасят всички бензинови и леки дизелови двигатели с пряко или косвено впръскване. За удовлетворяване на минимални изисквания, предявляеми към тях, маслата трябва да изпълняват изпитания на по-горе споменатите двигатели независимо от вискозитетния клас и базовото масло. За бензинови двигатели изпитанията на окислителна стабилност се провеждат в двигателSequence III F(Т_макс=149 °С) и в двигателPeugeot J Р. Наред с увеличаването на вискозитета (KB 40), свързано с окислението, се оценяват отлаганията на буталата и чистотата на каналите на буталните пръстени, индуцира се стареенето. Другите три стандартизирани методи са разработени за оценка на шламообразуването. Този показател е са способността на маслата ефективно да диспергират неразтворимите в масло остатъци от стареенето, образуващо се в процеса на изгаряне на горивото. Неразтворимите и неадекватно диспергирани твърди частици водят до образуване на лепкав, пастообразен маслени утайки, които може да блокира маслените канали и филтри, вследствие на което се нарушава смазването на двигателя. В съответствие сМ2Н SLиM111SLтакива утайки трябва визуално да се оценяват в картера на двигателя и маслените канали, а така също, като се измерва перепада на налягането на филтрите. Ако европейските методи на изпитанияM271SLиM111SL се изпълняват в «горещ» режим, т. е. при високи натоварвания и скорости, с горива, чувствителни към нитроокисление, то методаSequence VGв Северна Америка основно се фокусира на нискотемпературните експлоатационни условия на двигателя, водещи до образуването на така наречената «студена» черна утайка. ДвигателятPeugeot ТU3 се използва за контрол на критичното износване на разпределителния механизъм, което може да повлияе на регулирания момент на запалване в двигателя. След провеждане на изпитанията с променливо натоварване се оценява образуването на задиране на гърбиците.
   Изпитанието на леки дизелови двигатели е метод изключително европейски, защото такива двигатели се установяват и са все повече популярни в Европа. Първо място заема определянето на окислителната стабилност и специфика на дизеловите двигатели при дисперсия на сажди. При повишаване на налягането при впръскване се усилва образуването на сажди и вискозитета на маслото се увеличава почти 500%, повишава се и температурата на изгаряне. Тези критерии, а така също тяхното влияние на изгорелите газове се изпитват на двигателVW1,6 л с междинно охлаждане и наPeugeot XUD11 (увеличен вискозитет). Необходимо е да се избягват и странични ефекти, свързани с износването на цилиндрите и гърбиците, а също така полирането на вътрешните повърхности на цилиндрите, защото това може да послужи, като причина за провеждане на хонинговане. В програмата по изпитания е включен така наречен многоцелеви изпитателен двигателОМ02А.
   През 2003 г. програмата за разработка на масла за дизелови двигателиОМ611DE22LA е била допълнена с важни допълнителни многоцелеви изпитателни методи. Този метод се приема по отношение на съвременни нискосернисти дизелови видове горива, които след 300 часов пробег в двигателя образуват до 8% сажди. За такива условия се изискват моторни масла с изключително добри диспергиращи способности по отношение на саждите, за изключване възможността за силно увеличаване на вискозитета и износването. Новите специални методи за изпитания притежават високи критерии за удължени експлоатационни срокове за смяна на маслата и горивна ефективност. Такива противоречиви цели, като намаляване на вискозитета и висока надеждност от друга страна се явява сериозен проблем за производителите на моторни масла.

2. 4. Моторни масла за търговски автотракторни средства

Към търговските автотракторни средства се отнасят товарните автомобили, автобуси, трактори, комбайни, строителна и стационарна техника с дизелови двигатели. Наред с дизелови двигатели с предкамери, които в Европа основно са заменени на двигатели с пряко впръскване, голяма част от тях са снабдени с турбокомпресори. Икономическите и екологически аспекти, свързани с високото налягане при впръскване на горивото са способствали за подобряване на изгарянето на горивото, а следователно и за намаляване на изхвърлянето на изгорели газове. По инициатива наАСЕА сроковете за смяна на маслата са били увеличени до 10 хил. км при превози на далечни разстояния. По-долу подробно се разглеждат фундаменталните различия между дизеловите и бензинови двигатели.
   Дълготрайността и надеждността се явяват критерии за оценка на търговския автотракторен сектор. Маслата за много тежки условия на работа (HD) трябва да отговарят на тези изисквания. Доминиращи изисквания се явяват способността да се диспергират високи концентрации от частици нагар, а така също да се неутрализират сернокиселинните странични продукти от изгарянето. Характеристиките на маслата също така се оценяват по чистотата на буталата, износването и полировката ма вътрешните повърхности на цилиндъра. Окислението и отлагането са свързани с нагара, намиращ се основно в каналите на горния бутален пръстен, и води до лошо състояние на буталата и усилено износване. Това води до износване на хонингованите части в цилиндъра, проблем повече известен като полиране на вътрешните повърхности на цилиндъра. Резултат от това се явява увеличения разход на масло и лошото смазване на буталата, защото маслото не може улавя хонингованите пръстени. Неадекватното диспергиране на нагара и утайките, а така също химическата корозия могат да доведат до преждевременно износване на лагерите. И, накрая най-новите дизелови двигатели с турбокомпресори също трябва да бъдат оценени. Обичайно газовете пробивайки увличат в изгорелите газове известно количество маслени изпарения, а системите на турбокомпресора са много чувствителни към нестабилни компоненти от HDмасла.
   Като цяло вHDможе да се намери цялата категория масла, защото те разполагат с високи експлоатациони условия:
   • масла за тежки условия на работа (HD);
   • масла за много тежки условия на работа(SHPD);
   • масла за крайно (екстремално) тежки условия на работа (XHPD).
   Независимо от многочислените опити за използване на отработени методи на изпитания за получаване на необходимата информация, сега се използват 4- и 6-цилиндрови двигатели за изпитания на основни експлоатационни характеристики на моторните масла в 400 часови изпитания, които са заменили първоначалните едноцилиндрови изпитателни двигатели (MWMB: PetterAWB).
   Освен тези споменати многоцелеви изпитателни двигателиОМ602 иОM611, европейските спецификации разглеждат задължителните изпитания на двигателитеDaimler—Chrysler ОМ364LAилиОМ441LA. Тези методи на изпитания се приемат само за XHPDмасла (със смяна на 100 хил. км пробег). При изпитанията се определят и оценяват чистотата на буталата, износването и полирането на цилиндрите. Особено вОМ441LA, където са регистрирани отлагания на системите от турбокомпресора, а така също повишено налягане. Критерий за сгъстено масло, индуцирано със сажди се, оценява по методаASTM(на двигателMack T8)
   Независимо отвискозитетния клас и използваното базово масло, класическитеHDмасла имат голям алкален запас и следователно, високо съдържание на соли от алкален тип и органични киселини. Що се отнася до безпепелните диспергиращи агенти, то маслата са разчетени на диспергиране на сажди (нагар). За избягване образуването на допълнителни отлагания в маслото се добавят специални вискозитетни присадки.
   Масла, предназначени за обслужване на автомобилни паркове, се сблъскват с особени проблеми. За разлика от специализираните продукти, маслата трябва едновременно да удовлетворяват множество „капризи” на леките и товарни автомобили. Високи концентрации високоалкални соли за осигуряване чистота на буталата трябва да се жертват, защото  бензиновите двигатели са склонни към самовъзпламеняване в присъствие на високи концентрации металсъдържащи детергенти. Затова е необходимо да се подбират други компоненти, например умело използване на нетрадиционни базови масла наред с детергенти, диспергиращи агенти, присадки подобряващи вискозитетния индекс и антиоксиданти.

3. Класификация на моторните масла по спецификации

Както вече бе упоменато физичните и химични свойства са недостатъчни при избора на най-доброто масло за двигателя. Сложните и скъпоструващи практически и стендови моторни изпитания се провеждат за оценка и разбиране на характерните белези

3.1. Военни спецификации
Тези спецификации първо са били разработени от въоръжените сили на САЩ, като регламентират минимални изисквания към моторни масла, използвани  във военната техника. Военните спецификации се основават на определени физико-химични данни и някои стандартни методи на моторни изпитания. Преди тези спецификации също така са се използвали в гражданския сектор за определяне качествата на моторните масла, но в последните години почти са изчезнали от германския пазар. Спецификациите отMIL-L-46152АдоMIL-L-46152 са отменени. Моторни масла, отговарящи на изискванията от тези спецификации са пригодни за използване в американски бензинови и дизелови двигатели.MIL-L-46152E(отменен през 1991 г.) съответства наAPI SG/CC.MIL-L-2I04Cкласифицира моторните масла с високо съдържание на присадки за бензинови и дизелови двигатели, както с нормално всмукване, така и с турбокомпресори.MIL-L-2I04DпокриваMIL-L-2104Cи изисква допълнително изпитание в 2-тактов дизело двигателDetroitс компресор работещ под високо налягане. Освен това, трябва да бъдат удовлетворени изискванията на спецификациитеCaterpillar ТОиAllison С-3.MIL-L-2104Eпо съдържание е аналогичен наMIL-L-2104C. Изпитанията на бензинови двигатели са преразгледани и включват по- строги методи на изпитания (Seg111E/Seg. VE).

3.2. КласификацияAPIиILSAC

APIсъвместно сASTMиSAE са разработили класификация, в която моторните масла се сортират в съответствие с предявяваните към тях изисквания и спрямо конструкцията на съществуващите двигатели (табл. 4). Маслата се подлагат на стандартни моторни изпитания. API отделя класовете моторни масла за бензинови двигатели, работещи в леки условия (S — service oils), и за дизелови двигатели (С — commercial, търговски автотранспортни средства). Засега дизеловите двигатели на леки автомобили не превишават по численост бензиновите, но в последните години те набират оборот и търсенето им в САЩ непрекъснато расте. Освен това, имат определен ред преимущества, свързани с икономията на гориво (ЕС— горивна ефективност). 

 
3.3. ССМС спецификации

Тъй като спецификациите APIиMIL са се изпитвали само на мощни, бавноходни двигателиV8 в САЩ, изискванията на европейските двигатели (ниска мощност, бързоходни двигатели) се удовлетворяват непълно,СЕС(Координационен европейски съвет по разработка на експлоатационни изпитания за смазочни масла и моторни горива) съвместно с ССМС (Комитет на автомобилестроителите в общия пазар) са разработили редица методи на изпитания, в които се използват европейски двигатели за изпитания моторни масла (табл.5). Тези методи на изпитания и методите наAPIсъздават база за разработване на нови моторни масла. През 1996 г. ССМС е заменена наАСЕАи прекратява своето съществуване. 
 

3.4.АСЕАспецификации

В резултат от непреодолими разногласия ССМС е прекратен, а на негово място се образуваАСЕА(Асоциация на европейските автомобилестроители). ПървитеАСЕАкласификации са встъпили в сила от 1 януари 1996 г., а спецификациите ССМС са останали в сила само в междинен период.
   СпецификациитеАСЕА са преразгледани през 1996 г., заменени от 1998 г. и встъпили в сила от 1 март. За всички категории са въведени допълнителни изпитания на пенообразуване, а така също са били модифицирани изпитания на еластомери.
   Категориите А се отнасят към бензин, B — към дизелови двигатели на леки автомобили, а Е — към дизелови двигатели, работещи в тежки условия.
   От 1 септември 1999 г. спецификациите от 1998 г. са били заменени и останали в сила до 1 февруари 2004 г. Тогава са преосмислени категориитеЕ2,ЕЗ иE4 за дизелови масла при тежки условия на работа и е въведена нова категорияЕ5: тя отразява новите специфични изисквания към маслата за двигатели Евро 3 и по- високото съдържание на нагар в такива масла. А и 5 остават идентични с вариант 1998 г.
   От 1 февруари 2002 г. са били публикувани методи за изпитания на маслаАСЕА2002 (sequence) вместо sequence 1999 г., като те са били валидни до 1 ноември 2006 г. Тогава са преразгледани и въведени изисквания по чистота и образуване на утайки за бензинови двигатели (А1,А2 иA3) и нова категорияА5 с характеристики на двигателяA3, но с по- високи изисквания за горивна ефективност. Тогава са били внесени корективи в изпитателните методи за чистота, износване, предотвратяване образуването на утайки за леки дизелови автомобили и добавена нова категория 55 с превъзходна чистота и повишена икономия на гориво. Придава се особенно значение на противоизносните характеристики по отношение на пръстение, цилиндрите и лагерите за масла категорияE5.
   Oт 1 ноември 2004 г. методите на изпитанияАСЕА2004 г. могат да се анонсират от търговските организации. Маслата от тази категория са съвместими със всички други категории (табл. 6).
 

Категориите «А» и «B» днес са обединени и могат да бъдат заявени в надписите само заедно. Въвецдат се нови категорииC1,С2 иСЗ, които се отнасят към моторни масла за леки автомобили, снабдени със системи за доочистка на изгорелите газове, например филтри за улавяне на твърди частици от изгорели газове на дизелови двигатели (DPF). Такива масла се характеризират с особено ниско съдържание на пепелообразуващи компоненти и ниски нива на сяра и фосфор за минимизация негативното въздействие на филтриращите системи и катализаторите.

4. Одобрение на моторни масла за леки автомобили от страна на производителите

Наред с вече перечислените спецификации, някои производители имат свои собственни спецификации и изискват провеждане на изпитания на моторни масла на своите собственни двигатели (табл. 7).
 

ЕвропейскатаАСЕА, североамериканскатаЕМА(Асоциация на двигателестроителите) и японскатаJAMA(Японская асоциация на автомобилестроителите) работят над спецификации на световна класификационна система с устойчиви характеристики. Първата спецификация от този родDHD-1 (дизелов двигател, работещ в тежки условия) е била публикувана в началото на 2001 г. Изпитанието се заключава в съчетание на моторни и стендови изпитания отAPI СН- иАСЕА Е3/Е5 до японскатаDX-1 категория. През 2002 г. са били установени категории за дизелови двигатели, работещи в леки условия (DLD) (табл. 8).