Основные свойства масел
Плотность и удельный вес
Плотность вещества — это соотношение его массы к объему (кг/м 3 ), а удельный вес — соотношение массы определенного объема вещества к массе соответствующего объема воды при 20°С. Плотность и удельный вес зависят от температуры.
Вязкость
Вязкость — это величина, которая характеризует текучесть жидкости. Вязкость зависит от температуры. Вязкостных единиц множество. Кинематическую вязкость в т.н. технической системе единиц измеряют в Стоксах (Ст) или сантистоксах (сСт), а в системе СИ (м 2 /с) или (мм 2 /с). Когда величину кинематической вязкости умножают на показатель плотности масла в температуре измерения, получают динамическую вязкость, единицей которой в технической системе является Пуаз (П). В системе СИ динамическую вязкость измеряют в Паскаль-секундах (Пас) или (Нс/м 2 ).
Индекс вязкости
Он характеризует зависимость вязкости масла от изменения температуры. Чем больше индекс вязкости, тем меньше вязкость масла изменяется при колебании температуры.
Температура вспышки
При повышении температуры из масла выделяются пары, которые при поднесении открытого огня вспыхивают. Эта температура называется температурой вспышки, которую можно измерять либо в открытом (Cleveland), либо закрытом тигле (Pensky-Martens).
Температура застывания
Температура застывания — это самая низкая температура, при которой масло еще полностью не потеряло текучесть при наклонении пробирки, в которой его охладили. Температура застывания характеризует момент резкого увеличения вязкости при снижении температуры, или кристаллизации парафина вместе с повышением вязкости в такой степени, что масло становится твердым.
Число нейтрализации
В зависимости от базовых масел и присадок, а также эксплуатационных условий, в результате окисления в смазочных маслах содержатся кислотные и/или щелочные продукты. Общее щелочное число (TBN) или общее кислотное число (TAN) анализируются в лабораторных условиях. Величина этих показателей характеризует количество тех щелочных/кислых продуктов, которое требуется для нейтрализации масла. Кислотное число измеряется в (мг КОН/г) (миллиграмм гидроокиси калия на грамм масла).
Состав моторных масел. Классификация API
Все, что нужно знать о составе моторных масел, чтобы понимать их истинную ценность
Более половины себестоимости моторного масла приходится на стоимость его базы – базового масла, которое есть основа любого смазочного материала.
Казалось бы: зачем обычному автолюбителю вдумываться, что там внутри у моторного масла? Какую ценность несёт в себе знание о том, например, что такое базовые масла, какими они бывают и чем они друг от друга отличаются?
Пожалуй, немного разбираться в вопросе следует хотя бы затем, чтобы понимать, за что именно мы платим, покупая автомобильное масло: за реальную ценность состава – или за выдающийся маркетинг.
Группы базовых масел по API
Начнём с того, что базовое масло в составе готового моторного масла занимает порядка 80%. Всё остальное – это присадки, т.е. химические добавки, позволяющие в ту или иную сторону корректировать свойства, уже имеющиеся у базы.
Получают базовые масла двумя основными способами:
• путем перегонки нефти и очистки получившихся нефтепродуктов при помощи реагентов;
• путем химического синтеза из нефти, природного газа или же органических кислот.
По этому признаку все базы делят на минеральные и синтетические – имея в виду, в первую очередь, сам способ получения, а не источник.
Что же касается свойств и характеристик, имеющих значение непосредственно при эксплуатации смазки, то Американский институт нефти (API) делит все существующие на сегодняшний день базовые масла на пять групп.
I группа: масла грубой очистки
Это минеральные масла, получаемые путем растворения нефтепродуктов, оставшихся после производства бензина (или другого горючего). Имеет низкий индекс вязкости. Иными словами, нормально работает такое масло в очень узком диапазоне температур.
Значит ли это, что базы I группы – плохие? Вовсе нет. Да, технология их получения дешёвая, если сравнивать с более высокими группами. И да, как основу для автомобильных смазок их сегодня никто не применяет. В то же время, «минералку» активно и повсеместно используют для создания индустриальных масел и смазок. Например, для некоторых продуктов индустриальной линейки Lotos: машинных, редукторных, турбинных и других масел и смазок, находящих применение в самых разных областях человеческой деятельности.
II группа: чистые масла
А вот это уже масла высокой степени очистки. Для их получения применяют многоступенчатый и сложный процесс – гидрокрекинг, когда «грязное» масло под высоким давлением обрабатывают водородом, чтобы максимально убрать из него все примеси. В результате получается прозрачная жидкость с низким содержанием серы (менее 0,03%), но и по-прежнему с низким индексом вязкости – ненамного выше, чем у масел I группы.
Используются ли такие базовые масла для производства современных моторных масел? Да, конечно же, используются, но, как правило, в смеси с маслами более продвинутых групп, у которых индекс вязкости существенно выше. Чаще всего встречается комбинация баз II и III групп в разных соотношениях.
III группа: чистые масла с улучшенными свойствами (Гидрокрекинг)
Масла этой группы также получают путём гидрокрекинга, но настолько глубокого, что в процессе меняется сама структура молекул углеводорода. За счёт такого изменения на молекулярном уровне увеличивается индекс вязкости получающегося в итоге масла, что больше всего и ценится в базах III группы и даёт основание считать их полностью синтетическими.
Это самая распространённая на сегодняшний день группа базовых масел для автомобильных смазок.
III+ группа: масла из природного газа
API не выделяет эти масла в отдельную группу, но мы всё-таки выделим. Получают их путем всё того же гидрокрекинга — но не из нефти, а из сжиженного природного газа. Технология называется GTL (gas-to-liquids), то есть преобразование газа в жидкие углеводороды. В результате получается очень чистое, похожее на воду, базовое масло, которое к тому же очень устойчиво к воздействию агрессивных условий. Автомобильные масла, созданные на такой базе, также считаются полностью синтетическими. По своим качествам они близки к маслам на базе ПAO и полиэфиров, о которых речь пойдёт чуть ниже. Не зря GTL масла применяются, в первую очередь, для создания моторных масел премиального сегмента.
IV группа: синтетика в истинном смысле
К этой группе относятся масла на основе полиальфаолефинов (ПАО). Таких химических соединений в природе нет, их можно только синтезировать, поэтому и базовые масла на их основе – синтетических в самом полном смысле слова. Низкотемпературные показатели у такой базы лучше, чем у III группы, поэтому моторные масла с ПАО незаменимы, например, в условиях очень низких отрицательных температур.
К ПАО-основе всегда добавляется некоторое количество базы III или II группы, а то и обеих сразу. Ну, а чаще всего встречаются такие смеси, в которых ПАО не более трети, а то и вовсе процентов 10-15. Впрочем, и их бывает достаточно, чтобы существенно повысить качество моторного масла по всем основным показателям и увеличить срок его службы раза в 1,5.
V группа: эфиры
По правде говоря, сюда входят все масла, не вошедшие в предыдущие четыре группы: силикон, вазелиновые белые масла и многие другие, которые в производстве моторных масел не используются или используются редко, да и то в смеси с базами предыдущих групп.
В контексте именно моторных масел ценны т.н. эстеры – сложные эфиры, полученные из жирных кислот. Базовые масла на основе сложных эфиров в настоящее время считаются самыми совершенным среди баз для моторных масел. Присадки к ним требуются в минимальном количестве – почти со всеми задачами эстеровая база справляется сама!
Какие свойства готового моторного масла считаются основными
Краткий словарь основных терминов
Базовое масло – основа готового масла, один из основных его компонентов. Оказывает наибольшее значение на свойства конечного продукта. Именно базовое масло определяет «на сколько синтетическим» будет продукт. Базовые масла делятся на пять групп: минеральные, полусинтетические, гидрокрекинговые, ПАО-синтетические и «ненефтяные» синтетические.
Вязкость – одна из базовых характеристик свойств масла, определяет его текучесть. Вязкость масла разделяется на кинематическую и динамическую (HTHS).
Кинематическая вязкость определяет непосредственно текучесть масла, его густоту и согласно спецификации SAE J300, разделяется на «холодную» (зимнюю) и «горячую» (при температуре 100*С). В зависимости от фактических свойств масла, ему присваивается один из классов вязкости. Каждому классу вязкости соответствует определенный диапазон фактических значений вязкости масла.
Вязкость динамическая (HTHS) определяет стойкость масляной пленки и ее густоту в динамической среде. Аббревиатура HTHS полностью описывает условия, при которых производятся измерения – это высокая температура при высокой скорости сдвига (High Temperature High Shear). Физически является произведением кинематической вязкости на его плотность, измеряется в сантипуазах (сП).
По параметру динамической вязкости общепринято деление масел на два класса: полновязкие со значением HTHS >3.5 (так называемая стандартная вязкость HTHS) и маловязкие со значением HTHS Подробности
Свойства моторных масел
В двигателе внутреннего сгорания неизбежны высокотемпературные отложения. Умение их смывать – одно из важнейших свойств моторного масла. Но смыть недостаточно, частицы этих отложений необходимо измельчить и нейтролизовать. За это отвечают диспергирующие свойства масла.
Моюще-диспергирующие свойства
характеризуют способность масла обеспечивать необходимую чистоту деталей двигателя, поддерживать продукты окисления и загрязнения во взвешенном состоянии. Чем выше моюще – диспергирующие свойства масла, тем больше нерастворимых веществ – продуктов старения может удерживаться в работающем масле без выпадения в осадок, и тем меньше нагаров и лакообразных отложений образуется на поверхности деталей. А вследствие этого – может достигаться более высокая допустимая температура в двигателе (степень форсирования ДВС).
В составах моторных масел в качестве моющих присадок используют сульфонаты, алкилфеноляты, алкилсалицилаты и фосфонаты кальция или магния. Рациональное сочетание этих зольных присадок друг с другом и с беззольными дисперсантами-присадками, обеспечивает уменьшение низкотемпературных отложений в двигателе и положительно влияет на скорость загрязнения масляных фильтров. Модифицированные термостойкие беззольные дисперсанты также способствуют уменьшению нагарообразования на поршнях и кольцах.
При работе ДВС на топливе с увеличенным содержанием серы, моющие присадки, повышающие в масле щелочное число, препятствуют образованию отложений на деталях двигателя путем нейтрализации кислот, образующихся из продуктов сгорания топлива.
Металлсодержащие моющие присадки повышают зольность масла, что может привести к образованию зольных отложений в камере сгорания, замыканию электродов свечей зажигания, преждевременному воспламенению рабочей смеси, прогару выпускных клапанов, снижению детонационной стойкости топлива. Поэтому сульфатную зольность моторных масел ограничивают верхним пределом. Ее допустимое значение зависит от типа и конструкции двигателя, расхода масла на угар, условий эксплуатации, (в частности, от вида применяемого топлива). Наименее зольные масла необходимы для смазывания двухтактных бензиновых двигателей, а также двигателей работающих на газе.
Антиокислительные свойства
в значительной степени определяют стойкость масла к старению. Условия работы моторных масел в двигателях настолько жестки, что предотвратить их окисление полностью практически не возможно.
Окисление масла приводит к росту его вязкости и коррозионности, склонности к образованию отложений, загрязнению масляных фильтров и другим неблагоприятным последствиям (затруднение холодного пуска, ухудшение прокачиваемости масла).
Значительно затормозить процессы окисления масла можно соответствующей очисткой базовых масел от нежелательных соединений, присутствующих в сырье, использованием синтетических базовых компонентов, а также введением эффективных антиокислительных присадок.
Окисление масла в двигателе наиболее интенсивно происходит в тонких пленках масла на поверхностях деталей, нагревающихся до высокой температуры и соприкасающихся с горячими газами (поршень, цилиндр, поршневые кольца, направляющие и клапаны). В объеме масло окисляется менее интенсивно, так как в поддоне картера, радиаторе, маслопроводах температура ниже и поверхность контакта масла с окисляющей газовой средой меньше.
На скорость и глубину окислительных процессов значительно влияют загрязнения неорганического происхождения, которые накапливаются в масле в результате изнашивания деталей двигателя, (соединения меди, железа и других металлов, образующиеся в результате коррозии деталей двигателя). Еще больше на окисление масла влияют попадающие в него продукты неполного сгорания топлива. Они проникают в масло вместе с газами, прорывающимися из надпоршневого пространства в картер.
Стойкость моторных масел к окислению, повышается введением в его состав антиокислительных присадок. Наилучший антиокислительный эффект достигается при добавлении в масло присадок, обладающих различным механизмом действия. В качестве антиокислительных присадок к моторным маслам применяют диалкил и диарилдитиофосфаты цинка, которые улучшают противоизносные и антикоррозионные свойства. Их часто комбинируют друг с другом и с беззольными антиокислителями. Довольно энергичными антиокислителями являются некоторые моюще-диспергирующие присадки, в частности, алкилсалицилатные и алкилфенольные.
Противоизносные свойства
моторного масла зависят от химического состава базового масла, общего состава присадок и вязкостно-температурных характеристик масла. Это в основном и определяет температурные пределы его применяемости (защита деталей от износа при холодном запуске двигателя и максимальных температурных нагрузках).
При работе на топливе с высоким содержанием серы, а также в условиях, способствующих образованию азотной кислоты из продуктов сгорания (газовые двигатели, дизели с высоким наддувом), важнейшей характеристикой способности масла является предотвращение коррозионного износа поршневых колец и цилиндров.
Множественность факторов, влияющих на износ деталей в ДВС и принципиальные различия режимов трения, затрудняют оптимизацию противоизносных свойств моторных масел. Придание маслу максимальной нейтрализующей способности и введение в его состав дитиофосфатов цинка, часто оказывается достаточным для предотвращения коррозионно-механического изнашивания и избежание задиров. Однако тенденция к применению маловязких масел, для достижения экономии топлива и уменьшения расхода на угар, требует улучшения противоизносных свойств масел. Это достигается введением специальных присадок, содержащих серу, фосфор, галогены, бор, а также беззольные дисперсанты, содержащие противоизносные фрагменты.
Большое влияние на износ оказывает наличие в масле абразивных загрязнений. Их наличие в свежем масле не допускается, а масло, работающее в двигателе, должно подвергаться очистке в фильтрах, центрифугах, сепараторах. Высокие диспергирующие свойства масла так же уменьшают вред, оказываемый действием абразивных частиц.
Антикоррозионные свойства
моторных масел зависят от состава базовых компонентов, концентрации и эффективности антикоррозионных, антиокислительных присадок и деактиваторов металлов. Антикоррозионные присадки защищают антифрикционные материалы , образуя на их поверхности прочную защитную пленку. Антиокислители препятствуют образованию агрессивных кислот, а присадки-деактиваторы предохраняют поверхности металлов от коррозионного разрушения. Минеральные масла из малосернистой нефти, с высоким содержанием парафиновых углеводородов, наиболее подвержены коррозионности в процессе старения. Их углеводороды, в ходе окисления, образуют органические кислоты, которые взаимодействуют с цветными металлами и их сплавами.
Вязкостно-температурные свойства
одна из важнейших характеристик моторного масла. От этих свойств зависит в каком диапазоне температур окружающей среды, данное масло сможет обеспечить запуск двигателя без предварительного подогрева, беспрепятственное прокачивание насосом по всей системе, надежное смазывание, очистка и охлаждение деталей двигателя при наибольших допустимых нагрузках.
Даже в умеренных климатических условиях, диапазон изменения температуры масла от холодного пуска зимой до максимального прогрева, в подшипниках коленчатого вала или в зоне поршневых колец составляет от -30° до +150°С. Вязкость масел в этом интервале температур изменяется многократно.
Летние масла, имеющие достаточную вязкость при высокой температуре, обеспечивают легкий запуск двигателя при температуре окружающей среды не ниже 0°С. В свою очередь зимние масла, обеспечивающие холодный пуск при отрицательных температурах, имеют недостаточную вязкость при высокой температуре. Таким образом, сезонные масла независимо от их наработки (пробега автомобиля) необходимо менять дважды в год, или использовать так называемые «всесезонные» масла.
Вязкостно-температурные свойства «всесезонных» масел таковы, что при отрицательных температурах они подобны зимним, а в области высоких температур – летним. Вязкостные присадки относительно мало повышают вязкость базового масла при низкой температуре, но значительно увеличивают ее при высокой температуре.
В отличие от сезонных, «всесезонные» масла изменяют вязкость под влиянием не только температуры, но и скорости сдвига, причем это изменение временное. С уменьшением скорости относительного перемещения смазываемых деталей вязкость возрастает, а с увеличением – снижается. Этот эффект больше проявляется при низкой температуре, но сохраняется и при высокой, что имеет два позитивных последствия: большее снижение вязкости в начале проворачивания холодного двигателя стартером, облегчая его запуск, а в прогретом двигателе, небольшое снижение вязкости масла в зазорах между поверхностями трения деталей, уменьшает потери энергии на трение и дает экономию топлива.
Характеристиками вязкостно-температурных свойств служат кинематическая вязкость, динамическая вязкость, а также индекс вязкости – безразмерный показатель пологости вязкостно-температурной зависимости, рассчитываемый по значениям кинематической вязкости масла, измеренной при 40° и 100°С. Синтетические базовые компоненты имеют индекс вязкости 120-150, что дает возможность получать на их основе всесезонные масла с очень широким температурным диапазоном работоспособности.
К низкотемпературным характеристикам масел относят температуру застывания, при которой масло не течет под действием силы тяжести, т. е. теряет текучесть. Она должна быть на 5-7°С ниже той температуры, при которой масло должно обеспечивать прокачиваемость. В большинстве случаев застывание моторных масел обусловлено образованием в объеме охлаждаемого масла кристаллов парафинов.
Температура застывания масла
указывает только на возможность перелить масло из канистры в картер двигателя, не прибегая к предварительному подогреву. Однозначной взаимосвязи температуры застывания масла с его пусковыми свойствами на холоде не существует.
Температура вспышки
Если масло нагревать, то его пары образуют с воздухом смесь. Температуру, при которой эти пары способны воспламениться, называют температурой вспышки. Температура вспышки связана с фракционным составом масла и структурой молекул базовых компонентов. При прочих равных условиях высокая температура вспышки предпочтительна. Она существенно снижается по сравнению с исходным значением, если в процессе работы масло разжижается топливом из-за неисправностей двигателя. В сочетании со снижением вязкости масла, понижение температуры вспышки служит сигналом для поиска неисправностей системы подачи топлива, системы зажигания или карбюратора.
Сульфатная зольность
При сгорании масла образуется зола, которая, в свою очередь, состоит из солей и минералов, находящихся в масле во взвешенном состоянии. При очистке базового масла зольность должна быть минимальной и составляет порядка 0,005% и меньше. Однако, при введении необходимых для качественного масла присадок, зольность резко возрастает и достигает 1-1,5%. Сульфатная зольность масла в процессе работы двигателя, почти не изменяется и в нормативной документации ограничена верхним пределом. Это обусловлено тем, что излишне зольное масло может способствовать повышенному износу деталей, вследствие абразивного воздействия на поверхности трения, а также приводить к преждевременному воспламенению рабочей смеси из-за образования отложений в камере сгорания и неблагоприятно влиять на работоспособность свечей зажигания.
Базовые масла практически беззольны. Довольно высокая сульфатная зольность моторных масел в основном, обусловлена наличием в их составе моющих присадок, содержащих металлы. Эти присадки необходимы для предотвращения нагара и лакообразования на поршнях, кольцах, клапанах и придания маслам способности нейтрализовывать кислоты. Чем больше щелочное число, тем большее количество кислот, образующихся при окислении масла и сгорании топлива, может быть переведено в нейтральное соединение. В противном случае эти кислоты вызвали бы коррозионный износ деталей двигателя и усилили процессы образования различных углеродистых отложений. При работе масла в двигателе, щелочное число неизбежно снижается. Такое снижение имеет допустимые пределы, по достижении которых масло считается утратившим свою работоспособность. Поэтому, при прочих равных условиях, предпочтительнее масло у которого щелочное число выше.
