Моторните масла работят в изключително тежки условия. Други смазочни материали, използвани в автомобилите - трансмисионни масла и пластични смазки, - сравнително леко изпълняват своите функции, не губейки нужни свойства, тъй като работят в относително еднородна среда, с по-ниска постоянна температура, налягане и натоварване. Докато при моторните режима на работа е "тежък" - една и съща порция масло продължително време се подлага на ежесекундни падове от топлинни и механични натоварвания, тъй като условията на смазване в различните възли на двигателя далеч не са еднакви. Освен това, моторното масло е подложено на химическо въздействие - кислород, други газове, продукти от непълно изгаряне на гориво, а и самото гориво, което неминуемо попада в маслото, макар и в много малки количества. В такива, меко казано, некомфортни условия моторното масло е длъжно в течение на продължително време да изпълнява възложените му функции. А именно:
- намалява триене между допиращи се детайли, намалява износване и предотвратява задир в триещите се части;
- уплътнява хлабините, най-вече между детайлите от бутало-цилиндровата група, не допуска или свежда до минимум пробив на газ от газовата камера;
- защитава детайлите от корозия;
- отвежда топлина от триещите се повърхности;
- отнася продуктите от износване от зоната на триене, като така забавя обpазуването на отлагания на повъpхностите на частите на двигателя .
Някои основни характеристики на маслата
Вискозитет - една от важните характеристики на маслата. Моторните масла, както и голяма част от смазочните материали, изменят вискозитета си в зависимост от своята температура. Колкото е по-ниска температурата, толкова е по-голям вискозитета и обратно. За да се осигури студен пуск на двигателя (завъртане на коляновия вал и изпомпване на маслото по смазочната система) при ниски температури, вискозитета не трябва да бъде много висок. При високи температури, обратно- маслото не трябва да има много нисък вискозитет, за да не се създаде устойчив маслен филм между триещите се детайли и необходимо налягане в системата.
Вискозитетен индекс (ВИ) - показател, които характеризира зависимост на маслен вискозитет от изменение на температура. Това е безразмерна величина, т.е. не се измерва в някакви единици– това е просто число. Колкото е по-висок ВИ на моторните масла, толкова е по-широк температурния диапазон, които осигурява работоспособност на двигателя. За минерални масла без визкозитетни присадки ВИ е 85-100, масла с визкозитетни присадки и синтетични масла-компоненти могат да имат ВИ 120-150. Нисковискозитетни дълбокоочистени масла ВИ може да достигне 200.
Пламна температура. Този показател характеризира наличие в маслото на лекокипящи фракции и съотвено е свързан с изпаряемост на маслата в процеса на експлоатация. В качествените масла пламната температура трябва да бъде над 225°С. В недостатъчно качествените масла нисковискозитетните фракции бързо се изпаряват и изгарят, водейки до висок разход на масло и влошени нискотемпературни свойства.
Температура на течливост – това е температура, при която маслото практически напълно губи течливост (подвижност). Температура на течливост характеризира момента на рязко увеличен вискозитет при намалена температура, или кристаллизация на парафина заедно с повишаване на вискозитета в такава степен, че маслото става твърдо.
Алкално число (TBN). Показва общата алкалност на маслата, включва миещите и диспергиращи присадки, които притежават алкални свойства. TBN характеризира способността на маслата да неутрализират вредните киселини, постъпващи в процеса на работа на двигателя и да противодейства на отлаганията. Колкото е по-нисък TBN, толкова по-малко са активните присадки в маслото. TBN за бензинови двигатели е в предели от 8-9 единици, а за дизелови двигатели около 11-14. При работа на моторните масла общото алкално число неизбежно намалява, като неутрализира сработването на присадките. Значително падане на TBN води до киселинна корозия, а така също на замърсяване на вътрешните части на двигателя.
Киселинно число (TAN). Киселинното число се явява показател, характеризиращ наличие в моторните масла на окислителни продукти. Колкото е по-ниско абсолютното значение, толкова по-добри са условията на работа на маслата в двигателя и толкова по-висок остатъчен ресурс има. Повишено число TAN служи, като показател за окисление на маслото, предизвикано от дълго използване и/или работна температура. Общото киселинно число определя състоянието на моторните масла, като показва степента на окисление на маслата и натрупването на кисели продукти от изгаряне на горивото.
Базови масла
Моторните масла се състоят от основи (базови масла) и присадки. Свойствата на маслата се определят преди всичко от химичния състав на основите, присадките са предназначени за корекция и подобрение на тези характеристики. С помощта на присадките може значително да се повишат експлоатационните свойства на моторните масла, даже произведени от не най-добри базови масла. Но при продължителна експлоатация и особено при високи натоварвания присадките се разрушават и качеството на моторното масло се съкращава. Основно маслата биват минерални (т.е. получени, чрез очистка на съответни фракции нефт) и синтетични (т.е. получени, чрез каталитичен синтез от газове). Комбинация от минерални и синтетични основи, при условие не по-малко от 25 % синтетично базово масло се нарича полусинтетична база.
Масла — това са въглеводороди с определено количество въглеродни атоми. Тези атоми могат да бъдат съединени както по дълги и преки вериги, така и разклонени, като корона на дърво. Колкото са по- „преки” веригите, толкова са по-добри свойствата на маслата. Например, „разклонени” молекули по-леко се превръщат в кълба, защото са по- компактни — именно така се извършва замръзването. Или те ще замръзват при по- високи температури, в сравнение с техните „колеги”, състоящи се от преки вериги. И така, ние трябва да получим масла, състоящи се от красиви еднакви преки въглеводородни вериги. Никакви вредни примеси, ненаситени връзки или пръстени. Полученото от нефта масло се присява от по-малки или по-големи изтънчени способи. Ако са по-малко се получава обикновена „минералка”, при по-големи- хидрокрекинговано масло. В процеса на каталитичен хидрокрекинг се извършва „изправяне” на веригите — изомеризация, но строеж на отборни молекули, чрез този способ не се получава. Докато синтетичното масло се получава от леки газове, „удължавайки” дължината на веригите до нужното число въглеродни атоми. Условията на тези реакции се контролират леко, затова може да се получат практически линейни вериги със зададени дължини.
Условни експлоатационни характеристики (според качеството), в % (минерално базово масло прието за 100 %)
- Минерално, обичайно качество- 100 %
- Хидрокрекингово, подобрено минерално- 200 %
- Синтетично, полиалфаолефиново- 300 %
- Синтетично, естерово- 500 %
Според класификацията на Американския нефтен институт (API) базовите масла се подразделят на пет категории:
Група I - базови масла, които са получени, чрез метода на селективна очистка и депарафинизация на разтворителите (обичайно минерални)
Група II- високорафинирани базови масла, с ниско съдържание на ароматни съединения и парафин, с повишена окислителна стабилност (масла, преминали през хидрообработка- подобрени минерални)
Група III- базови масла с висок ВИ, получени чрез метода каталитичен хидрокрекинг (НС-технология). В хода на специална обработка се подобрява молекулярната структура на маслата, приближава се по своите свойства до синтетичните базови масла от IV група. Не случайно маслата от тази група се отнасят към полусинтетичните (а някои компании даже към синтетичните базови масла).
Група IV– синтетични базови масла на основа полиалфаолефини (ПАО). Полиалфаолефините се получават в резултат от химичен процес, имат характеристики на еднообразни композиции, много висока окислителна стабилност, висок ВИ и нямат молекули от парафини в своя състав.
Група V – други базови масла. В тази група влизат други синтетични базови масла и базови масла на растителна основа.
Химическият състав на минералната основа зависи от качествата на нефта, предела на кипене на отбраните маслени фракции, а така също от методите и степента на очистка. Минерална основа – най- евтина. Този продукт се образува при пряка дестилация на нефта, състоящ се от молекули с различна дължина и различен строеж. Поради тази нееднородност те имат нестабилни вискозитетно – температурни свойства, висока изпаряемост, ниска устойчивост към окисление. Минерална основа – най- разпространена в света на моторните масла.
Усъвършенстване на минералните базови масла се провежда по две основни направления. Първо –маслото се очиства до такава степен, че в него да остане оптимално съдържание на смоли, киселини, серни съединения, азот и допълнително се добавят присадки за подобряване на някои функционални свойства. Такъв метод не позволява да се получат масла с достатъчно високи качества. Второто направление, при което базовото масло напълно се очиства от всички примеси и се извършва молекулярна модификация е метода хидрокрекинг. В резултат се получава масло с ценни свойства за тежък работен режим (висока устойчивост към деформации на срязване при високи скорости, натоварване и температура, висок ВИ и стабилност на параметрите).
По цена „хидрокрекинга” е близък до „минералката”, а по качества, както уверява търговеца не е по лошо от „синтетиката”. Но ако е така то скъпо удоволствие, като синтетично масло няма да съществува, като клас... Хидрокрекинговото масло е близо до минералното не само, като цена, но и по способ при получаване, защото то също се произвежда от нефт. Защо тогава е по-добро? Както следва от името, то преминава през по-дълбока обработка с помощта на хидрокрекинг. А на първи етап производството не се отличава от това на минералното масло. От обичайното минерално масло с разнообразни физико-химични методи се отстраняват нежеланите примеси, до серни и азотни съединения, асфалтови (битумни) вещества и ароматни полициклични съединения, които усилват коксуването и зависимостта на вискозитета от от температурата. Депарафинизацията отстранява парафините, повишаващи температурата на течливост на маслата. Но е понятно, че да се отстранят всички ненужни примеси с такива методи е невъзможно — грубо казано, това и служи като причина за лошите свойства на „минералките”. Обработката на маслата може да продължи и по-нататък. Останали са още ненаситени въглеводороди, които ускоряват стареенето на маслата поради окисление, още и примеси също са останали. Хидроочистката (въздействие на водород при висока температура и налягане) превръща непределните и ароматни въглеводороди в пределни, което увеличава устойчивостта на маслата към окисление. Така маслото, преминало хидроочистка, притежава допълнителни преимущества. А какво е хидрокрекинг? Това е още по-дълбок вид обработка, когато едновременно протичат няколко реакций. Какви? Отстраняват се всички тези серни и азотни съединения, Дългите вериги се разкъсват (крекинг) на по-кратки с еднородна структура, местата на разкъсване в новите скъсени молекули се насищат с водород (хидриране). От тук и името – «хидрокрекинг». Така, при хидрокрекинга е налице всички признаци на синтеза – създаване на изходна суровина от нови съединения, с нови структури и свойства. Затова хидрокрекинга често се нарича НС- синтез. Но не всичко е така просто. Някои компоненти от нефта, които обикновено се считат за вредни на места могат да бъдат много ценни. Например, смолите, мастните и нафтенови киселини подобряват лепкавостта и устойчивостта на адсорбционния филм на маслата и така подобряват смазващата способност на маслата. Някои съединения на сярата и азота притежават антиокислителни свойства. Така при дълбока очистка на маслата някои смазващи, антиокислителни и антикорозионни свойства могат да се влошат. Тази неприятност се изправя със специални присадки, които се добавят на маслосмесителните заводи.
И така, хидрокрекинговите масла — това са продукти от дестилация и дълбока очистка на нефт. Хидрокрекингът отстранява всичко „ненужно”, но ако се отстрани нещо „полезно”, необходимите свойства се придават с помощта на присадки. Но често да се отфилтрират ненужните примеси е сложно — затова има място голямото нагарообразуване и „съдействие” на корозията в хидрокрекинговите масла в сравнение със „синтетиката”. Хидрокрекинговото масло се получава близко по качества към „синтетиката”, но бързо стареет, губейки своите свойства. Но притежават висок ВИ, противоокислителна устойчивост и устойчивост на деформации, а от износване може да защитават даже по-добре от синтетичните. От друга страна, „синтетиката” е по-еднородна в смисъл на линейност на въглеводородните вериги, което дава преимущества, например, в температурата на течливост. Има още един нюанс- хидрокрекинга е процес каталитичен, както и синтеза. Но ако първия се извършва например на никел, то втория на въглерод. Видно е че въглерода в този смисъл е по-добър, защото от маслата ще бъдат отстранени нежелателни примеси от съединенията на катализатора.
Най- интересно, е че голяма част от моторните масла, позициониращи се като полусинтетични, и даже напълно синтетични, се явяват хидрокрекинговани масла. Това е обща тенденция на големите производители- програма BP (освен Visco 7000), Shell (освен 0W-40), частично Castrol, Mobil, Esso, Chevron, Fuchs са хидрокрекинговани. Всички масла на южнокорейската фирма ZIC са хидрокрекинг.
Полусинтетика – това е смес от минерални и синтетични базови масла и може да съдържа в своя състав от 20 до 40 процента „синтетика”. Специални изисквания към производители на полусинтетични смазочни материали по отношение на това, какво количество синтетично базово масло (синтетичен компонент) трябва да има в готовото моторно масло - няма. Така също няма никакви предписания, какъв синтетичен компонент (базово масло от група III или IV) да се използва при изготвянето на полусинтетичния смазочен материал. По своите характеристики тези масла заемат междинно положение между минералните и синтетични масла, т.е. техните свойства са по-добри от минералните, но по-лоши от синтетичните. По цена тези масла са значително по-евтини от синтетичните.
Синтетичните масла притежават изключително удачни вискозитетно-температурни характеристики. Това са първо, много по- ниска, в сравнение с минералните, температура на течливост (-50°С, -60°C) и много висок ВИ, което съществено облегчава стартирането на двигателя в студено време. Второ, те имат по- висок вискозитет при работни температури над 100°C – благодарение на което масления филм, разделяйки триещата повърхност, не се разрушава в екстремални топлинни режими. Към стабилните достойнства на синтетичните масла може да се отнесат повишената устойчивост към деформация (благодарение на еднородната си структура), висока термоокислителна стабилност, или ниска склонност към образуване на нагар и лак (лакът се нарича отложен на горещите повърхности устойчив, много стабилен, практически с нищо не разтворим филм, състоящ се от продуктите на окисление), а така също малка в сравнение с минералните масла изпаряемост. Немаловажно и това, че синтетиката изисква въвеждането на минимално количество сгъстяващи присадки, а висококласните сортове не изискват такива присадки въобще, следователно, тези масла са много устойчиви (първо се разрушават именно присадките). Всички тези свойства на синтетичните масла способстват за намаляване на общите механични загуби в двигателя и намалено износване на детайлите. Освен това, техния ресурс превишава ресурса на минералните от 5 и повече пъти. Основни фактори, ограничаващи използването на синтетичните масла се явява тяхната висока цена. Те са от 3 до 5 пъти по скъпи от минералните.
В ролята на синтетична база встъпват обичайно полиалфаолефини (ПАО) или естери, или тяхната смес. ПАО – това са въглеводороди с дължина на веригите от 10…12 атома. Получават се чрез полимеризация (просто казано – съединение) на кратки въглеводородни вериги – мономери от 3-5 атома. Суровина за това обичайно служи нефтен газ – бутилен и етилен. Естерите представляват сложни ефири – продукти от неутрализация на карбонови киселини. Суровина за производство – растителни масла, например рапсово, или даже кокосово. Естерите притежават редица преимущества пред всички други известни основи. Първо- молекулите на естерите са полярни, или електрическия заряд в тях е разпределен така, че молекулата сама да „прилепне” към метала. Второ- вискозитета на естерите може да се зададе още на етап производство (колкото повече тежък спирт се използва, толкова по-висок вискозитет се получава. Може да не се наложи използването на всякакви сгъстяващи присадки, които „изгарят” в хода на работа в двигателя, водейки до „стареене” на маслата. Съвременните технологии позволяват да се създадат напълно биологично разложими масла на основа естери, защото естерите се явяват екологично чисти продукти и леко се утилизират. Но всички тези плюсове може да се окажат много скъпо удоволствие. Естеровата база е от 5 до 10 пъти по-скъпа от минералната! Затова тяхното съдържание в моторните масла обичайно е ограничено до 3-5%, и се използват само в съвършени продукти, обичайно съставляващи най-скъпите продукти на компаниите-лидери.
Присадки
При съвременното ниво на развитие на двигателостроенето използването на масла без присадки практически е невъзможно, както е невъзможно създаването на масла, които да осигурят ефективна защита на двигателя и едновременно да не се разрушават в течение на продължително време. Всички съвременни моторни масла съдържат в своя състав пакет (набор) от присадки, съдържанието на които суммарно може да достигне 20%.
Присадките може да се разделят на няколко типа:
- Вискозитетно-сгъстителни присадки
- Миещи присадки (детергенти и дисперсанти)
- Противоизносни присадки
- Инхибитори на окисление (антиокислителни присадки)
- Инхибитори на корозия и ръжда
- Антипенни присадки
- Модификатори на триенето
- Депресорни присадки.
Вискозитетно-сгъстителни присадки. Механизмът на тяхното действие е основан на изменение формата на полимерните макромолекули в зависимост от температурите. В студено състояние тези молекули, в бъдеще сведени в спирали, не влияят на масления вискозитет, при нагряване те се изправят и маслото се сгъстява или по-точно не става много течно. Фактически тази присадка повишава ВИ на маслата. Масла, в състава на които влизат вискозитетни присадки (до 10%) се наричат сгъстени – това са зимни и всесезонни сортове. В зависимост от количеството добавени вискозитетно-сгъстителни присадки може да се получават масла с различен вискозитет. Колкото е по- висок първоначалния ВИ на базовото масло, толкова са по- малко вискозитетно-сгъстителните присадки. Ако ВИ е достатъчно висок, може да се получи моторно масло, не съдържащо сгъстители. Съвременните тенденции в областта на разработките на моторни масла са съсредоточени в създаването на моторни масла с нисък вискозитетен диапазон. Причината се заключава в това, че такива масла по принцип, осигуряват енергоефективни свойства (т.е. позволява икономия на гориво) и съдържат малко количество сгъстител или въобще не съдържат. Защо голямо количество сгъстител в моторно масло е нежелателно за двигателя? В двигателят има множество триещи се части, където маслото се подлага на високи срязващи натоварвания, в резултат на което се извършва разрушаване на сгъстителя. Това води до вискозитетна загуба на моторното масло, влошени функции при смазване (намалена дебелина на смазващия филм), а продуктите от разрушаването на сгъстителя се явяват потенциален източник на нагар и лакови отлагания в двигателя. Масла с голям вискозитетен диапазон са ориентирани изключително за спортно използване. Те са предназначени само за екстремални експлоатационни условия, в които най- важни са високите вискозитетни свойства, а не тяхната стабилност в течение на времето.
Миещи присадки. Миещите присадки са нужни за предотвратяване образуване на лакови и от сажди (в дизелите) отлагания на детайлите в двигателя. Те по принцип се състоят от детергиращи компоненти, които измиват окислителни продукти в маслото и ги транспортират до филтрите и диспергиращи, способстват за раздробяване на големи частици нагар на малки (не повече от микрон).
Детергенти. Принципът на действие на тези присадки в двигателя е същия, като на миещите средства, използващи се в бита. Освен това,детергентите притежават алкални свойства, т.е. могат да неутрализират киселини. Киселините се образуват при изгаряне на сяра, съдържащи се в горивото, особено дизеловите и при окисляване на самото масло. Неутрализация на такива киселинни продукти, ефективно предотвратява корозията на детайлите на двигателя. Т.е. втора важна функция на такива присадки – неутрализация на киселини и антикорозионни свойства.
Дисперсанти. Основна задача на тези присадки – поддържане замърсители в маслото в разтворено състояние, като така се предотвратява отлагане на детайлите в двигателя, маслените канали и др., диспергиране (разтваряне) на големи замърсители. Диспергиращите добавки удържат замърсителите в нискодисперсно състояние, не давайки възможност да се слепят в по-големи части и да се слепят към метала. Естествено, замърсителите преминават по смазващите системи, филтрите ги пропускат, но това е по-малкото зло, отколкото да полепва по метала. Резултатът от работата на миещите присадки може да се наблюдава почти веднага след смяна на старо масло с ново. Вече налято, малка работа - и вече е черно! Не се вълнувайте. В този случай черното масло свидетелства за висока миеща способност на неговите присадки - те отмиват замърсители от стените, довеждайки ги до безопасна консистенция, и маслото ги разпръсква по смазващите системи.
Противоизносни присадки. Основна функция – предотвратяване износването на триещите се детайли в двигателя в места, където е невъзможно образуване на маслен филм с необходима дебелина. Те работят, чрез абсорбиране в повърхностите на метала, а след това химически реагират с нея в процеса на контакт метал-метал, толкова по-активно, колкото е по-голяма топлината при този контакт на образуване, създавайки при това особен метален филм с “плъзгащи” свойства, като се предотвратява и абразивно износване.
Инхибитори на окисление (антиокислителни присадки). В процеса на работа в двигателя маслото постоянно е подложено на въздействие от високи температури, кислород и азот, които предизвикват окисление, разрушаване на присадките и сгъстяване. Противоокислителните присадки забавят окисляването на маслата и неизбежно следващото от това образуване на корозионно-активни остатъци. Принципът на тяхното действие са заключава в химическа реакция при високи температури с продукти, предизвикващи окисление на маслата. Делят се на присадки-инхибитори, работещи в общ обем масла, и на термоокислителни присадки, изпълняващи своите функции в работния слой на нагретите повърхности.
Инхибитори на корозия и ръжда. Инхибиторите на корозия защитават повърхностите на детайлите на двигателя от корозия, предизвикана от органични и минерални киселини, образуващи се при окисляване на маслото и присадките. Механизъм на действие – образуване на защитен филм на повърхностите на детайлите и неутрализация на киселини. Инхибиторите на ръжда основно защитават стоманените и чугунени стени на цилиндри, бутала и пръстени. Механизмът на действие е сходен. Противокорозионните присадки често се бъркат с противоокислителните. Те са две различни неща. Противоокислителните, като се каза по-горе, защитават от окисление самото масло. Противокорозионните – повърхността на металните детайли. Те способстват за образуването на метала на устойчив маслен филм, предотвратяващ от контакт с винаги присъстващи в обема на маслото киселини и вода.
Антипенни присадки. При силно смесване на масла с въздух, което в частност се наблюдава при работа на двигателя, когато коляновия вал интензивно разбърква маслото в картер, до възможно повишено образуване на пяна. Този процес способства за различни замърсявания, присъстващи в маслото. Това формиране значително влошава ефективността при смазване детайлите на двигателя, което може да доведе до повишено износване и влошено топлоотдаване. Противопенните присадки (обикновено това са силикони или полилоксани) не се разтварят в моторни масла, а присъстват във вид на малки капчици. Тяхното действие е основано на разрушаване на въздушните балончета. Да се размине без тези присадки практически е невъзможно, но тяхното присъствие не трябва да превишава хилядна част от процент - при термичноразлагане на силикон се образува силициев оксид, които се явява силен абразив.
Триещи модификатори. За съвременните двигатели все по- често се използват масла с триещи модификатори, позволяващи да се намали триещия коефициент между триещите се детайли с цел получаване на енергоефективни масла. Най- известни триещи модификатори- графит и молибденов дисулфид. В съвременни масла е сложно използването им, защото тези вещества са неразтворими в масло, а могат само да бъдат диспергирани в тях във вид на малки частици. Това изисква въвеждане в маслото на допълнителни дисперсанти и стабилизатори на дисперсия, но това все пак не позволява да се използват такива масла в течение на продължително време. Затова днес, като триещ модификатор обикновено се използват маслоразтворими естери на мастните киселини, притежаващи много добро прилепване към металните повърхности, формирайки на тях слой молекули, намаляващи триенето.
Депресорни присадки (за минерални масла). При силно понижение на температурите в маслата започва образуване на кристали парафин, което води до загуба на подвижност на маслата и в резултат влошен нискотемпературен пуск на двигателя и изпомпване на маслата по каналите. В процеса на производство на базови масла част от парафините се отделят, но пълно отстраняване по технологични и икономически причини е невъзможно (силно растат разходите при получаване на базово масло). Обичайно минералното базово масло има температура на течливост около -15°С. Възможно е получаването на минерални моторни масла с температура на течливост -30°С…-35°С, чрез въвеждане в маслото на депресорни присадки. Тези присадки предотвратяват срастването на парафиновите кристали, но не предотвратява тяхната поява въобще (принципът на действие е такъв, като на дизеловия антигел).
Класификация на маслата
