Як влаштована моторна олива: функції, характеристики, базові оливи (групи API I-V) і присадки

Автор матеріалу: Олег Тимошенко

Моторна олива зменшує тертя і знос, ущільнює зазори в циліндропоршневій групі, захищає деталі від корозії, відводить тепло і виносить продукти зносу із зон тертя. Її властивості визначаються базовою оливою (мінеральною, гідрокрекінговою чи синтетичною) і пакетом присадок. Нижче - функції оливи, її основні характеристики (в'язкість, індекс в'язкості, TBN, TAN), групи базових олив API, типи присадок і практичні рекомендації з експлуатації.

Умови роботи і функції моторної оливи

Моторні оливи працюють у винятково тяжких умовах. Трансмісійним оливам і пластичним мастилам значно легше виконувати свої функції, не втрачаючи потрібних властивостей: вони працюють у відносно однорідному середовищі зі сталими температурою, тиском і навантаженнями. У моторної оливи режим «рваний»: та сама її порція тривалий час щосекунди зазнає перепадів теплових і механічних навантажень, бо умови змащування різних вузлів двигуна дуже різні. Крім того, на оливу хімічно впливають кисень повітря, інші гази, продукти неповного згоряння палива і саме паливо, яке неминуче потрапляє в оливу, хоч і в дуже малих кількостях. У таких умовах моторна олива має тривалий час виконувати свої функції:

зменшувати тертя між деталями, що контактують, знижуючи знос і запобігаючи задирам;
ущільнювати зазори, насамперед між деталями циліндропоршневої групи, не допускаючи або зводячи до мінімуму прорив газів з камери згоряння;
захищати деталі від корозії;
відводити тепло від поверхонь тертя;
виносити продукти зносу із зони тертя, сповільнюючи утворення відкладень на деталях двигуна.

Основні характеристики моторних олив

В'язкість - одна з найважливіших характеристик. Як і більшість мастильних матеріалів, моторні оливи змінюють в'язкість залежно від температури: що нижча температура, то вища в'язкість, і навпаки. Щоб забезпечити холодний пуск (прокручування колінвала стартером і прокачування оливи системою змащування) за низьких температур, в'язкість не повинна бути надто високою. За високих температур, навпаки, олива не повинна бути надто рідкою, щоб створювати міцну оливну плівку між деталями і потрібний тиск у системі.

Індекс в'язкості характеризує залежність в'язкості від температури. Це безрозмірна величина - просто число. Що вищий індекс в'язкості, то в ширшому діапазоні температур олива забезпечує працездатність двигуна. За даними джерела, у мінеральних олив без в'язкісних присадок індекс в'язкості становить 85-100, в олив з в'язкісними присадками і синтетичних компонентів - 120-150, а в малов'язких глибокоочищених олив може сягати 200.

Температура спалаху характеризує вміст у оливі легкокиплячих фракцій і пов'язана з її випаровуваністю під час експлуатації. За даними джерела, у якісних олив вона має бути вищою за 225 °C. У недостатньо якісних олив малов'язкі фракції швидко випаровуються і вигоряють, що підвищує витрату оливи і погіршує її низькотемпературні властивості.

Температура застигання - температура, за якої олива практично повністю втрачає текучість. Вона характеризує момент різкого зростання в'язкості при охолодженні або кристалізацію парафінів, коли олива стає твердою.

Лужне число (TBN) показує загальну лужність оливи, зокрема ту, що вносять мийні та диспергувальні присадки. TBN характеризує здатність оливи нейтралізувати шкідливі кислоти, які потрапляють у неї під час роботи двигуна, і протидіяти відкладенням. Що нижче TBN, то менше активних присадок залишилося в оливі. За даними джерела, TBN більшості олив для бензинових двигунів становить 8-9 одиниць, для дизельних - близько 11-14; у сучасних малозольних олив (Low SAPS) він зазвичай нижчий. Під час роботи TBN неминуче знижується, бо нейтралізувальні присадки спрацьовуються; значне падіння TBN призводить до кислотної корозії і забруднення двигуна.

Кислотне число (TAN) показує вміст у оливі продуктів окиснення. Що нижче його значення, то кращі умови роботи оливи і більший її залишковий ресурс. Зростання TAN свідчить про окиснення оливи через тривалу експлуатацію і/або високу робочу температуру. TAN визначають під час аналізу стану оливи як показник ступеня окиснення і накопичення кислих продуктів згоряння.

Базові оливи

Моторна олива складається з основи (базової оливи) і присадок. Її властивості визначаються насамперед хімічним складом основи, а присадки коригують і покращують ці характеристики. Присадки можуть значно підвищити експлуатаційні властивості навіть оливи на не найкращій основі. Але під час тривалої роботи, особливо під високим навантаженням, присадки спрацьовуються, і якість оливи, що відпрацювала понад половину терміну, визначається вже якістю базової оливи.

Основи бувають мінеральні (отримані очищенням відповідної фракції нафти) і синтетичні (отримані каталітичним синтезом, зокрема з газів). Суміш мінеральної і синтетичної основ називають напівсинтетикою.

Чому важлива будова молекул

Оливи - це вуглеводні з певною кількістю атомів вуглецю. Атоми можуть утворювати прямі (лінійні) ланцюги або розгалужені. Лінійні парафіни (н-парафіни) мають високий індекс в'язкості, але легко кристалізуються - це віск, через який олива на морозі втрачає текучість. Сильно розгалужені й циклічні молекули, навпаки, гірше тримають в'язкість при нагріванні. Найкращі властивості має довгий ланцюг з невеликою кількістю коротких бічних відгалужень (ізопарафін): він поєднує високий індекс в'язкості з низькою температурою застигання. Тож ідеальна базова олива - це однорідні молекули такої будови без шкідливих домішок, ненасичених зв'язків і ароматичних кілець.

Олива, отримана з нафти, наближається до цього ідеалу через відсіювання непотрібного більш або менш досконалими способами. Якщо менш - це звичайна «мінералка», якщо більш - гідрокрекінгова олива: у процесі каталітичного гідрокрекінгу і гідроізомеризації лінійні парафіни перетворюються на ізопарафіни, проте отримати молекули однакової довжини й будови так не вдається. Синтетичну оливу «збирають» з легких молекул, нарощуючи ланцюг до потрібної довжини. Умови такої реакції контролюються значно краще, тому можна отримати молекули заданої довжини й будови.

Умовні експлуатаційні характеристики базових олив за оцінкою джерела (мінеральна олива прийнята за 100 %):

мінеральна звичайної якості - 100 %;
гідрокрекінгова (покращена мінеральна) - 200 %;
синтетична поліальфаолефінова (ПАО) - 300 %;
синтетична естерова - 500 %.

Групи базових олив за API

Американський інститут нафти (API) поділяє базові оливи на п'ять груп:

Група I - базові оливи, отримані селективним очищенням і депарафінізацією розчинниками (звичайні мінеральні).
Група II - високорафіновані базові оливи з низьким вмістом ароматичних сполук і сірки та підвищеною стабільністю до окиснення (оливи після гідрообробки, покращені мінеральні).
Група III - базові оливи з високим індексом в'язкості, отримані каталітичним гідрокрекінгом (HC-технологія). Спеціальна обробка покращує молекулярну структуру, наближаючи властивості до синтетичних олив групи IV. Тому оливи цієї групи часто відносять до напівсинтетичних, а деякі виробники - і до синтетичних.
Група IV - синтетичні базові оливи на основі поліальфаолефінів (ПАО). Вони мають однорідний склад, дуже високу стабільність до окиснення, високий індекс в'язкості і не містять молекул н-парафінів.
Група V - інші базові оливи, що не ввійшли до попередніх груп: зокрема естери, інші синтетичні основи та оливи рослинного походження.

Мінеральні базові оливи

Хімічний склад мінеральних основ залежить від якості нафти, меж кипіння відібраних оливних фракцій, а також методів і глибини очищення. Мінеральна основа - найдешевша і найпоширеніша. Це продукт перегонки нафти, що складається з молекул різної довжини і будови. Через таку неоднорідність вона має менш стабільні в'язкісно-температурні властивості, вищу випаровуваність і нижчу стійкість до окиснення.

Мінеральні базові оливи вдосконалюють у двох напрямах. Перший - оливу очищають лише до рівня, коли в ній залишається оптимальний вміст смол, кислот, сполук сірки й азоту, а функціональні властивості покращують присадками. Такий метод не дає оливи достатньо високого рівня. Другий - базову оливу повністю очищають від домішок і модифікують на молекулярному рівні методом гідрокрекінгу. Результат - олива, цінна для тяжких режимів: висока стійкість до деформацій зсуву за високих швидкостей, навантажень і температур, високий індекс в'язкості та стабільність параметрів.

Гідрокрекінгові оливи

До якого класу відносити такі оливи? За ціною гідрокрекінг ближчий до «мінералки», а за якістю, як запевняють продавці, не поступається «синтетиці». Насправді гідрокрекінгова олива ближча до мінеральної не лише за ціною, а й за способом отримання, бо її теж виробляють з нафти, а на перших етапах виробництво не відрізняється від виробництва мінеральної оливи.

Зі звичайної мінеральної оливи різними фізико-хімічними методами видаляють небажані домішки: сполуки сірки й азоту, асфальтенові (бітумні) речовини і поліциклічні ароматичні сполуки, які посилюють коксування і залежність в'язкості від температури. Депарафінізацією видаляють парафіни, що підвищують температуру застигання. Проте видалити так усі непотрібні домішки неможливо - саме тому «мінералка» має гірші властивості. Далі може йти гідроочищення: обробка воднем за високої температури і тиску перетворює ненасичені й ароматичні вуглеводні на насичені, що підвищує стійкість оливи до окиснення.

Гідрокрекінг - ще глибша обробка, під час якої одночасно відбувається кілька реакцій: видаляються сполуки сірки й азоту, довгі ланцюги розриваються (крекінг) на коротші з однорідною будовою, а місця розривів насичуються воднем (гідрування); паралельно лінійні парафіни ізомеризуються. Звідси назва - «гідрокрекінг». Фактично це створення з вихідної сировини нових сполук з новою структурою і властивостями, тому гідрокрекінг часто називають HC-синтезом.

Утім, деякі компоненти нафти, які зазвичай вважають шкідливими, бувають корисними. Смоли, жирні й нафтенові кислоти покращують липкість і стійкість адсорбційної плівки, а отже - змащувальну здатність. Деякі сполуки сірки й азоту мають антиокиснювальні властивості. Тому при глибокому очищенні частина змащувальних, антиокиснювальних і антикорозійних властивостей може погіршитися - це компенсують спеціальними присадками на оливозмішувальних заводах.

Отже, гідрокрекінгова олива близька за якістю до синтетичної, має високий індекс в'язкості, стійкість до окиснення і до деформацій зсуву, а від зносу може захищати не гірше за синтетичну. Водночас, за даними джерела, вона швидше старіє, а синтетика однорідніша за будовою молекул, що дає переваги, наприклад, за температурою застигання. Значна частина олив, що продаються як напівсинтетичні і навіть синтетичні, виготовляється саме на гідрокрекінгових базових оливах групи III - це загальна практика великих виробників.

Напівсинтетичні оливи

Напівсинтетика - це суміш мінеральних і синтетичних базових олив; за даними джерела, вміст «синтетики» в ній зазвичай становить 20-40 %. Єдиних вимог щодо того, скільки синтетичного компонента має бути в готовій оливі і який саме (група III чи група IV), немає. За характеристиками такі оливи займають проміжне положення: вони кращі за звичайні мінеральні, але поступаються синтетичним, а коштують значно дешевше за синтетику.

Синтетичні оливи

Синтетичні оливи мають дуже вдалі в'язкісно-температурні характеристики. По-перше, це значно нижча, ніж у мінеральних, температура застигання (за даними джерела, -50...-60 °C) і дуже високий індекс в'язкості, що полегшує пуск двигуна в мороз. По-друге, вони краще зберігають в'язкість за робочих температур понад 100 °C, тож оливна плівка між поверхнями тертя не руйнується в екстремальних теплових режимах.

Серед інших переваг синтетики - підвищена стійкість до деформацій зсуву (завдяки однорідній структурі), висока термоокиснювальна стабільність, тобто мала схильність до утворення нагару і лаків (лаками називають прозорі, дуже міцні, практично нерозчинні плівки з продуктів окиснення на гарячих поверхнях), а також менші випаровуваність і витрата на чад порівняно з мінеральними оливами. Синтетика потребує мінімуму загущувальних присадок, а найкращі її сорти можуть обходитися без них, тому такі оливи дуже стійкі - адже руйнуються насамперед саме присадки. Усе це знижує механічні втрати в двигуні та знос деталей, а свої властивості синтетика зберігає довше, ніж мінеральна олива. Інтервал заміни при цьому визначає регламент виробника автомобіля. Головний чинник, що обмежує застосування синтетики, - висока вартість: за даними джерела, вона в 3-5 разів дорожча за мінеральну.

ПАО та естери

Синтетичною основою зазвичай слугують поліальфаолефіни (ПАО), естери або їхня суміш. ПАО отримують олігомеризацією (з'єднанням кількох молекул) альфа-олефінів, найчастіше децену-1, який своєю чергою виробляють з етилену; молекули ПАО для моторних олив містять приблизно 20-40 атомів вуглецю.

Естери - це складні ефіри, продукти реакції карбонових кислот зі спиртами; сировиною можуть бути, зокрема, рослинні олії, наприклад ріпакова чи кокосова. Естери мають низку переваг перед іншими основами. По-перше, їхні молекули полярні: заряд у них розподілений так, що молекула сама «прилипає» до металу. По-друге, в'язкість естерів можна задавати ще на етапі виробництва основи: що важчі спирти, то вища в'язкість. Тож можна обійтися без загущувальних присадок, які «вигорають» під час роботи двигуна і спричиняють старіння оливи. На основі естерів створюють і біорозкладні оливи. Але все це дорого: за даними джерела, естерова основа в 5-10 разів дорожча за мінеральну, тому її вміст у моторних оливах зазвичай обмежений 3-5 %, а застосовують її лише в найдосконаліших продуктах, що очолюють лінійки провідних виробників.

Присадки до моторних олив

На сучасному рівні двигунобудування олива без присадок практично неможлива: жодна основа сама по собі не забезпечить ефективний захист двигуна і водночас не руйнуватиметься тривалий час. Усі сучасні моторні оливи містять пакет присадок, сумарний вміст якого, за даними джерела, може сягати 20 %. Основні типи присадок:

в'язкісні (загущувальні);
мийні (детергенти і дисперсанти);
протизносні;
інгібітори окиснення (антиокиснювальні);
інгібітори корозії та іржі;
антипінні;
модифікатори тертя;
депресорні.

В'язкісні (загущувальні) присадки

Їхня дія ґрунтується на зміні форми макромолекул полімерів залежно від температури. У холодній оливі ці молекули згорнуті в клубки і мало впливають на в'язкість, а при нагріванні розпрямляються, і олива не стає надто рідкою. Фактично присадка підвищує індекс в'язкості. Оливи з в'язкісними присадками (за даними джерела, до 10 %) називають загущеними - це зимові та всесезонні сорти. Що вищий власний індекс в'язкості базової оливи, то менше загущувача потрібно; за досить високого індексу можна отримати оливу взагалі без загущувача.

Сучасна тенденція - оливи з вужчим діапазоном в'язкості: вони зазвичай забезпечують енергозбереження (економію палива) і містять мало загущувача або не містять його зовсім. Чому багато загущувача небажано? У двигуні багато пар тертя, де олива зазнає високих зсувних навантажень, і загущувач руйнується. Це знижує в'язкість оливи, погіршує змащування (оливна плівка стає тоншою), а продукти руйнування загущувача стають джерелом нагару і лакових відкладень. Оливи з дуже широким діапазоном в'язкості (наприклад, 10W-60) призначені передусім для спортивного застосування і двигунів, для яких їх прямо рекомендує виробник: там важливіші високі в'язкісні властивості, ніж їхня стабільність з часом.

Мийні присадки: детергенти і дисперсанти

Мийні присадки запобігають утворенню лакових і сажових (у дизелях) відкладень. Вони складаються з детергентів, які змивають продукти окиснення оливи і зносу деталей та несуть їх до фільтра, і дисперсантів, які подрібнюють великі частинки нагару на дрібні (не більші за мікрон).

Детергенти діють так само, як побутові мийні засоби. Крім того, вони мають лужні властивості, тобто нейтралізують кислоти, що утворюються при згорянні сірки палива (особливо дизельного) і при окисненні самої оливи. Так присадки ефективно запобігають корозії деталей - це їхня друга важлива функція.

Дисперсанти утримують забруднення в оливі у зваженому стані, не дають їм відкладатися на деталях і в оливних каналах, злипатися в грудки і пригоряти до металу. Дрібні частинки циркулюють системою змащування, і фільтр їх частково пропускає, але це значно менше зло, ніж відкладення на металі. До речі, роботу мийних присадок видно майже одразу після заміни оливи: щойно залили, трохи проїхали - а олива вже темна. Це не привід для хвилювання: потемніння свідчить, що присадки змили бруд зі стінок і утримують його в безпечному стані.

Протизносні присадки

Вони запобігають зношуванню деталей там, де оливна плівка потрібної товщини утворитися не може. Присадка адсорбується на поверхні металу, а потім у момент контакту метал-метал хімічно реагує з нею - тим активніше, чим більше тепла виділяється. Так утворюється захисна плівка з «ковзними» властивостями, яка запобігає задирам і зносу. Найпоширеніша протизносна присадка - диалкілдитіофосфат цинку (ZDDP).

Інгібітори окиснення (антиокиснювальні присадки)

Під час роботи олива постійно зазнає дії високих температур, кисню повітря та оксидів азоту, що спричиняє її окиснення, руйнування присадок і загущення. Антиокиснювальні присадки сповільнюють окиснення оливи і неминуче подальше утворення корозійно-активних осадів: вони хімічно реагують з продуктами, які спричиняють окиснення. Розрізняють інгібітори, що працюють в усьому об'ємі оливи, і термоокиснювальні присадки, які діють у робочому шарі на нагрітих поверхнях.

Інгібітори корозії та іржі

Інгібітори корозії захищають поверхні деталей від органічних і мінеральних кислот, що утворюються при окисненні оливи і присадок: вони створюють на металі захисну плівку і нейтралізують кислоти. Інгібітори іржі захищають насамперед сталеві й чавунні стінки циліндрів, поршні та кільця; механізм дії подібний. Протикорозійні присадки часто плутають з антиокиснювальними, але це різні речі: антиокиснювальні захищають від окиснення саму оливу, а протикорозійні - поверхню металевих деталей від контакту з кислотами і водою, які завжди є в оливі.

Антипінні присадки

Під час роботи двигуна колінвал інтенсивно збовтує оливу в картері, і при змішуванні з повітрям може утворюватися піна; цьому сприяють і забруднення. Піна погіршує змащування і тепловідведення, що може підвищити знос. Антипінні присадки (зазвичай силікони - полісилоксани) не розчиняються в оливі, а перебувають у ній у вигляді найдрібніших крапель і руйнують бульбашки повітря. Без них не обійтися, але їхній вміст має бути мізерним (тисячні частки відсотка): при термічному розкладанні силікону утворюється оксид кремнію - сильний абразив.

Модифікатори тертя

У сучасних двигунах дедалі частіше застосовують оливи з модифікаторами тертя, які знижують коефіцієнт тертя між деталями і роблять оливу енергозберігаючою. Найвідоміші тверді модифікатори - графіт і дисульфід молібдену. У сучасних оливах їх використовувати складно: ці речовини не розчиняються в оливі, а лише диспергуються у вигляді дрібних частинок, що потребує додаткових дисперсантів і стабілізаторів і все одно не дає змоги довго експлуатувати таку оливу. Тому нині як модифікатори тертя зазвичай застосовують розчинні в оливі сполуки: ефіри жирних кислот, які добре прилипають до металу і утворюють на ньому шар молекул, що знижує тертя, а також органічні сполуки молібдену (наприклад, MoDTC).

Депресорні присадки (для мінеральних олив)

При сильному охолодженні в оливі починають утворюватися кристали парафінів: олива втрачає рухливість, погіршуються холодний пуск і прокачування оливи каналами. Під час виробництва базових олив частину парафінів видаляють, але повністю - неможливо з технологічних та економічних причин (різко зростає вартість). За даними джерела, мінеральна базова олива зазвичай має температуру застигання близько -15 °C, а депресорні присадки дають змогу знизити її до -30...-35 °C. Вони запобігають зростанню кристалів парафіну, але не їхній появі взагалі - принцип такий самий, як у дизельних антигелів.

Класифікації моторних олив

Щоб полегшити вибір оливи потрібного рівня якості для конкретного двигуна та умов експлуатації, існують системи класифікації: API, ILSAC і ACEA. У кожній оливи поділяються на ряди й категорії за рівнем якості та призначенням; їх створено з ініціативи національних і міжнародних організацій нафтопереробників і автовиробників. Поряд із загальними класифікаціями діють вимоги (специфікації, допуски) виробників автомобілів. Крім класифікацій за рівнем якості, використовують класифікацію за в'язкістю - SAE. Докладніше про кожну систему - у статтях, наведених нижче.