Как устроено моторное масло: функции, характеристики, базовые масла (группы API I-V) и присадки

Автор материала: Олег Тимошенко

Моторное масло уменьшает трение и износ, уплотняет зазоры в цилиндропоршневой группе, защищает детали от коррозии, отводит тепло и выносит продукты износа из зон трения. Его свойства определяются базовым маслом (минеральным, гидрокрекинговым или синтетическим) и пакетом присадок. Ниже - функции масла, его основные характеристики (вязкость, индекс вязкости, TBN, TAN), группы базовых масел API, типы присадок и практические рекомендации по эксплуатации.

Условия работы и функции моторного масла

Моторные масла работают в исключительно тяжелых условиях. Трансмиссионным маслам и пластичным смазкам значительно легче выполнять свои функции, не теряя нужных свойств: они работают в относительно однородной среде с постоянными температурой, давлением и нагрузками. У моторного масла режим «рваный»: одна и та же его порция длительное время ежесекундно подвергается перепадам тепловых и механических нагрузок, поскольку условия смазки различных узлов двигателя очень разные. Кроме того, на масло химически воздействуют кислород воздуха, другие газы, продукты неполного сгорания топлива и само топливо, которое неизбежно попадает в масло, хотя и в очень малых количествах. В таких условиях моторное масло должно длительное время выполнять свои функции:

уменьшать трение между соприкасающимися деталями, снижая износ и предотвращая задиры;
уплотнять зазоры, в первую очередь между деталями цилиндропоршневой группы, не допуская или сводя к минимуму прорыв газов из камеры сгорания;
защищать детали от коррозии;
отводить тепло от поверхностей трения;
выносить продукты износа из зоны трения, замедляя образование отложений на деталях двигателя.

Основные характеристики моторных масел

Вязкость - одна из важнейших характеристик. Как и большинство смазочных материалов, моторные масла меняют вязкость в зависимости от температуры: чем ниже температура, тем выше вязкость, и наоборот. Чтобы обеспечить холодный пуск (проворачивание коленвала стартером и прокачивание масла по системе смазки) при низких температурах, вязкость не должна быть слишком высокой. При высоких температурах, наоборот, масло не должно быть слишком жидким, чтобы создавать прочную масляную пленку между деталями и нужное давление в системе.

Индекс вязкости характеризует зависимость вязкости от температуры. Это безразмерная величина - просто число. Чем выше индекс вязкости, тем в более широком диапазоне температур масло обеспечивает работоспособность двигателя. По данным источника, у минеральных масел без вязкостных присадок индекс вязкости составляет 85-100, у масел с вязкостными присадками и синтетических компонентов - 120-150, а у маловязких глубокоочищенных масел может достигать 200.

Температура вспышки характеризует содержание в масле легкокипящих фракций и связана с его испаряемостью в эксплуатации. По данным источника, у качественных масел она должна быть выше 225 °C. У недостаточно качественных масел маловязкие фракции быстро испаряются и выгорают, что повышает расход масла и ухудшает его низкотемпературные свойства.

Температура застывания - температура, при которой масло практически полностью теряет текучесть. Она характеризует момент резкого роста вязкости при охлаждении или кристаллизацию парафинов, когда масло становится твердым.

Щелочное число (TBN) показывает общую щелочность масла, в том числе вносимую моющими и диспергирующими присадками. TBN характеризует способность масла нейтрализовать вредные кислоты, попадающие в него при работе двигателя, и противодействовать отложениям. Чем ниже TBN, тем меньше активных присадок осталось в масле. По данным источника, TBN большинства масел для бензиновых двигателей составляет 8-9 единиц, для дизельных - около 11-14; у современных малозольных масел (Low SAPS) он обычно ниже. В процессе работы TBN неизбежно снижается, поскольку нейтрализующие присадки срабатываются; значительное падение TBN приводит к кислотной коррозии и загрязнению двигателя.

Кислотное число (TAN) показывает содержание в масле продуктов окисления. Чем ниже его значение, тем лучше условия работы масла и тем больше его остаточный ресурс. Рост TAN говорит об окислении масла из-за длительной эксплуатации и/или высокой рабочей температуры. TAN определяют при анализе состояния масла как показатель степени окисления и накопления кислых продуктов сгорания.

Базовые масла

Моторное масло состоит из основы (базового масла) и присадок. Его свойства определяются прежде всего химическим составом основы, а присадки корректируют и улучшают эти характеристики. Присадки могут значительно повысить эксплуатационные свойства даже масла на не самой лучшей основе. Но при длительной работе, особенно под высокой нагрузкой, присадки срабатываются, и качество масла, отработавшего более половины срока, определяется уже качеством базового масла.

Основы бывают минеральные (полученные очисткой соответствующей фракции нефти) и синтетические (полученные каталитическим синтезом, в том числе из газов). Смесь минеральной и синтетической основ называют полусинтетикой.

Почему важно строение молекул

Масла - это углеводороды с определенным количеством атомов углерода. Атомы могут образовывать прямые (линейные) цепи или разветвленные. Линейные парафины (н-парафины) имеют высокий индекс вязкости, но легко кристаллизуются - это воск, из-за которого масло на морозе теряет текучесть. Сильно разветвленные и циклические молекулы, наоборот, хуже держат вязкость при нагреве. Лучшими свойствами обладает длинная цепь с небольшим количеством коротких боковых ответвлений (изопарафин): она сочетает высокий индекс вязкости с низкой температурой застывания. Поэтому идеальное базовое масло - это однородные молекулы такого строения без вредных примесей, ненасыщенных связей и ароматических колец.

Масло, полученное из нефти, приближается к этому идеалу через отсеивание ненужного более или менее совершенными способами. Если менее - это обычная «минералка», если более - гидрокрекинговое масло: в процессе каталитического гидрокрекинга и гидроизомеризации линейные парафины превращаются в изопарафины, однако получить молекулы одинаковой длины и строения так не удается. Синтетическое масло «собирают» из легких молекул, наращивая цепь до нужной длины. Условия такой реакции контролируются значительно лучше, поэтому можно получить молекулы заданной длины и строения.

Условные эксплуатационные характеристики базовых масел по оценке источника (минеральное масло принято за 100 %):

минеральное обычного качества - 100 %;
гидрокрекинговое (улучшенное минеральное) - 200 %;
синтетическое полиальфаолефиновое (ПАО) - 300 %;
синтетическое эстеровое - 500 %.

Группы базовых масел по API

Американский институт нефти (API) делит базовые масла на пять групп:

Группа I - базовые масла, полученные селективной очисткой и депарафинизацией растворителями (обычные минеральные).
Группа II - высокорафинированные базовые масла с низким содержанием ароматических соединений и серы и повышенной стабильностью к окислению (масла после гидрообработки, улучшенные минеральные).
Группа III - базовые масла с высоким индексом вязкости, полученные каталитическим гидрокрекингом (HC-технология). Специальная обработка улучшает молекулярную структуру, приближая свойства к синтетическим маслам группы IV. Поэтому масла этой группы часто относят к полусинтетическим, а некоторые производители - и к синтетическим.
Группа IV - синтетические базовые масла на основе полиальфаолефинов (ПАО). Они имеют однородный состав, очень высокую стабильность к окислению, высокий индекс вязкости и не содержат молекул н-парафинов.
Группа V - прочие базовые масла, не вошедшие в предыдущие группы: в частности эстеры, другие синтетические основы и масла растительного происхождения.

Минеральные базовые масла

Химический состав минеральных основ зависит от качества нефти, пределов выкипания отбираемых масляных фракций, а также методов и глубины очистки. Минеральная основа - самая дешевая и самая распространенная. Это продукт перегонки нефти, состоящий из молекул разной длины и строения. Из-за такой неоднородности она имеет менее стабильные вязкостно-температурные свойства, более высокую испаряемость и более низкую стойкость к окислению.

Минеральные базовые масла совершенствуют в двух направлениях. Первое - масло очищают лишь до уровня, когда в нем остается оптимальное содержание смол, кислот, соединений серы и азота, а функциональные свойства улучшают присадками. Такой метод не дает масла достаточно высокого уровня. Второе - базовое масло полностью очищают от примесей и модифицируют на молекулярном уровне методом гидрокрекинга. Результат - масло, ценное для тяжелых режимов: высокая стойкость к деформациям сдвига при высоких скоростях, нагрузках и температурах, высокий индекс вязкости и стабильность параметров.

Гидрокрекинговые масла

К какому классу относить такие масла? По цене гидрокрекинг ближе к «минералке», а по качеству, как уверяют продавцы, не уступает «синтетике». На самом деле гидрокрекинговое масло ближе к минеральному не только по цене, но и по способу получения, ведь его тоже производят из нефти, а на первых этапах производство не отличается от производства минерального масла.

Из обычного минерального масла разными физико-химическими методами удаляют нежелательные примеси: соединения серы и азота, асфальтеновые (битумные) вещества и полициклические ароматические соединения, которые усиливают коксование и зависимость вязкости от температуры. Депарафинизацией удаляют парафины, повышающие температуру застывания. Однако удалить так все ненужные примеси невозможно - именно поэтому «минералка» имеет худшие свойства. Далее может идти гидроочистка: обработка водородом при высокой температуре и давлении превращает непредельные и ароматические углеводороды в предельные, что повышает стойкость масла к окислению.

Гидрокрекинг - еще более глубокая обработка, при которой одновременно протекает несколько реакций: удаляются соединения серы и азота, длинные цепи разрываются (крекинг) на более короткие с однородной структурой, а места разрывов насыщаются водородом (гидрирование); параллельно линейные парафины изомеризуются. Отсюда название - «гидрокрекинг». Фактически это создание из исходного сырья новых соединений с новой структурой и свойствами, поэтому гидрокрекинг часто называют HC-синтезом.

Впрочем, некоторые компоненты нефти, которые обычно считают вредными, бывают полезными. Смолы, жирные и нафтеновые кислоты улучшают липкость и стойкость адсорбционной пленки, а значит - смазывающую способность. Некоторые соединения серы и азота обладают антиокислительными свойствами. Поэтому при глубокой очистке часть смазывающих, антиокислительных и антикоррозионных свойств может ухудшиться - это компенсируют специальными присадками на маслосмесительных заводах.

Итак, гидрокрекинговое масло близко по качеству к синтетическому, имеет высокий индекс вязкости, стойкость к окислению и к деформациям сдвига, а от износа может защищать не хуже синтетического. В то же время, по данным источника, оно быстрее стареет, а синтетика однороднее по строению молекул, что дает преимущества, например, по температуре застывания. Значительная часть масел, продаваемых как полусинтетические и даже синтетические, изготавливается именно на гидрокрекинговых базовых маслах группы III - это общая практика крупных производителей.

Полусинтетические масла

Полусинтетика - это смесь минеральных и синтетических базовых масел; по данным источника, содержание «синтетики» в ней обычно составляет 20-40 %. Единых требований к тому, сколько синтетического компонента должно быть в готовом масле и какой именно (группа III или группа IV), нет. По характеристикам такие масла занимают промежуточное положение: они лучше обычных минеральных, но уступают синтетическим, а стоят значительно дешевле синтетики.

Синтетические масла

Синтетические масла обладают очень удачными вязкостно-температурными характеристиками. Во-первых, это значительно более низкая, чем у минеральных, температура застывания (по данным источника, -50...-60 °C) и очень высокий индекс вязкости, что облегчает пуск двигателя в мороз. Во-вторых, они лучше сохраняют вязкость при рабочих температурах выше 100 °C, поэтому масляная пленка между поверхностями трения не разрушается в экстремальных тепловых режимах.

Среди других преимуществ синтетики - повышенная стойкость к деформациям сдвига (благодаря однородной структуре), высокая термоокислительная стабильность, то есть малая склонность к образованию нагара и лаков (лаками называют прозрачные, очень прочные, практически нерастворимые пленки из продуктов окисления на горячих поверхностях), а также меньшие испаряемость и расход на угар по сравнению с минеральными маслами. Синтетика требует минимума загущающих присадок, а лучшие ее сорта могут обходиться без них, поэтому такие масла очень стойкие - ведь разрушаются в первую очередь именно присадки. Все это снижает механические потери в двигателе и износ деталей, а свои свойства синтетика сохраняет дольше, чем минеральное масло. Интервал замены при этом определяет регламент производителя автомобиля. Главный фактор, ограничивающий применение синтетики, - высокая стоимость: по данным источника, она в 3-5 раз дороже минеральной.

ПАО и эстеры

Синтетической основой обычно служат полиальфаолефины (ПАО), эстеры или их смесь. ПАО получают олигомеризацией (соединением нескольких молекул) альфа-олефинов, чаще всего децена-1, который, в свою очередь, производят из этилена; молекулы ПАО для моторных масел содержат примерно 20-40 атомов углерода.

Эстеры - это сложные эфиры, продукты реакции карбоновых кислот со спиртами; сырьем могут быть, в частности, растительные масла, например рапсовое или кокосовое. Эстеры имеют ряд преимуществ перед другими основами. Во-первых, их молекулы полярны: заряд в них распределен так, что молекула сама «прилипает» к металлу. Во-вторых, вязкость эстеров можно задавать еще на этапе производства основы: чем тяжелее спирты, тем выше вязкость. Поэтому можно обойтись без загущающих присадок, которые «выгорают» при работе двигателя и вызывают старение масла. На основе эстеров создают и биоразлагаемые масла. Но все это дорого: по данным источника, эстеровая основа в 5-10 раз дороже минеральной, поэтому ее содержание в моторных маслах обычно ограничено 3-5 %, а применяют ее лишь в самых совершенных продуктах, возглавляющих линейки ведущих производителей.

Присадки к моторным маслам

На современном уровне двигателестроения масло без присадок практически невозможно: ни одна основа сама по себе не обеспечит эффективную защиту двигателя и одновременно не будет разрушаться длительное время. Все современные моторные масла содержат пакет присадок, суммарное содержание которого, по данным источника, может достигать 20 %. Основные типы присадок:

вязкостные (загущающие);
моющие (детергенты и дисперсанты);
противоизносные;
ингибиторы окисления (антиокислительные);
ингибиторы коррозии и ржавления;
антипенные;
модификаторы трения;
депрессорные.

Вязкостные (загущающие) присадки

Их действие основано на изменении формы макромолекул полимеров в зависимости от температуры. В холодном масле эти молекулы свернуты в клубки и мало влияют на вязкость, а при нагреве распрямляются, и масло не становится слишком жидким. Фактически присадка повышает индекс вязкости. Масла с вязкостными присадками (по данным источника, до 10 %) называют загущенными - это зимние и всесезонные сорта. Чем выше собственный индекс вязкости базового масла, тем меньше загустителя нужно; при достаточно высоком индексе можно получить масло вообще без загустителя.

Современная тенденция - масла с более узким диапазоном вязкости: они обычно обеспечивают энергосбережение (экономию топлива) и содержат мало загустителя или не содержат его вовсе. Почему много загустителя нежелательно? В двигателе много пар трения, где масло испытывает высокие сдвиговые нагрузки, и загуститель разрушается. Это снижает вязкость масла, ухудшает смазку (масляная пленка становится тоньше), а продукты разрушения загустителя становятся источником нагара и лаковых отложений. Масла с очень широким диапазоном вязкости (например, 10W-60) предназначены прежде всего для спортивного применения и двигателей, для которых их прямо рекомендует производитель: там важнее высокие вязкостные свойства, чем их стабильность во времени.

Моющие присадки: детергенты и дисперсанты

Моющие присадки предотвращают образование лаковых и сажевых (в дизелях) отложений. Они состоят из детергентов, которые смывают продукты окисления масла и износа деталей и несут их к фильтру, и дисперсантов, которые дробят крупные частицы нагара на мелкие (не крупнее микрона).

Детергенты действуют так же, как бытовые моющие средства. Кроме того, они обладают щелочными свойствами, то есть нейтрализуют кислоты, образующиеся при сгорании серы топлива (особенно дизельного) и при окислении самого масла. Так присадки эффективно предотвращают коррозию деталей - это их вторая важная функция.

Дисперсанты удерживают загрязнения в масле во взвешенном состоянии, не дают им откладываться на деталях и в масляных каналах, слипаться в комки и пригорать к металлу. Мелкие частицы циркулируют по системе смазки, и фильтр их частично пропускает, но это гораздо меньшее зло, чем отложения на металле. Кстати, работу моющих присадок видно почти сразу после замены масла: только залили, немного проехали - а масло уже темное. Это не повод для беспокойства: потемнение говорит о том, что присадки смыли грязь со стенок и удерживают ее в безопасном состоянии.

Противоизносные присадки

Они предотвращают изнашивание деталей там, где масляная пленка нужной толщины образоваться не может. Присадка адсорбируется на поверхности металла, а затем в момент контакта металл-металл химически реагирует с ней - тем активнее, чем больше выделяется тепла. Так образуется защитная пленка со «скользящими» свойствами, которая предотвращает задиры и износ. Самая распространенная противоизносная присадка - диалкилдитиофосфат цинка (ZDDP).

Ингибиторы окисления (антиокислительные присадки)

При работе масло постоянно подвергается воздействию высоких температур, кислорода воздуха и оксидов азота, что вызывает его окисление, разрушение присадок и загущение. Антиокислительные присадки замедляют окисление масла и неизбежно следующее за ним образование коррозионно-активных осадков: они химически реагируют с продуктами, вызывающими окисление. Различают ингибиторы, работающие во всем объеме масла, и термоокислительные присадки, действующие в рабочем слое на нагретых поверхностях.

Ингибиторы коррозии и ржавления

Ингибиторы коррозии защищают поверхности деталей от органических и минеральных кислот, образующихся при окислении масла и присадок: они создают на металле защитную пленку и нейтрализуют кислоты. Ингибиторы ржавления защищают прежде всего стальные и чугунные стенки цилиндров, поршни и кольца; механизм действия схожий. Противокоррозионные присадки часто путают с антиокислительными, но это разные вещи: антиокислительные защищают от окисления само масло, а противокоррозионные - поверхность металлических деталей от контакта с кислотами и водой, которые всегда присутствуют в масле.

Антипенные присадки

При работе двигателя коленвал интенсивно взбалтывает масло в картере, и при смешивании с воздухом может образовываться пена; этому способствуют и загрязнения. Пена ухудшает смазку и теплоотвод, что может повысить износ. Антипенные присадки (обычно силиконы - полисилоксаны) не растворяются в масле, а находятся в нем в виде мельчайших капель и разрушают пузырьки воздуха. Без них не обойтись, но их содержание должно быть ничтожным (тысячные доли процента): при термическом разложении силикона образуется оксид кремния - сильный абразив.

Модификаторы трения

В современных двигателях все чаще применяют масла с модификаторами трения, которые снижают коэффициент трения между деталями и делают масло энергосберегающим. Самые известные твердые модификаторы - графит и дисульфид молибдена. В современных маслах их использовать сложно: эти вещества не растворяются в масле, а лишь диспергируются в виде мелких частиц, что требует дополнительных дисперсантов и стабилизаторов и все равно не позволяет долго эксплуатировать такое масло. Поэтому сейчас в качестве модификаторов трения обычно применяют маслорастворимые соединения: эфиры жирных кислот, которые хорошо прилипают к металлу и образуют на нем слой молекул, снижающий трение, а также органические соединения молибдена (например, MoDTC).

Депрессорные присадки (для минеральных масел)

При сильном охлаждении в масле начинают образовываться кристаллы парафинов: масло теряет подвижность, ухудшаются холодный пуск и прокачиваемость масла по каналам. При производстве базовых масел часть парафинов удаляют, но полностью - невозможно по технологическим и экономическим причинам (резко растет стоимость). По данным источника, минеральное базовое масло обычно имеет температуру застывания около -15 °C, а депрессорные присадки позволяют снизить ее до -30...-35 °C. Они предотвращают рост кристаллов парафина, но не их появление вообще - принцип такой же, как у дизельных антигелей.

Классификации моторных масел

Чтобы облегчить выбор масла нужного уровня качества для конкретного двигателя и условий эксплуатации, существуют системы классификации: API, ILSAC и ACEA. В каждой масла делятся на ряды и категории по уровню качества и назначению; они созданы по инициативе национальных и международных организаций нефтепереработчиков и автопроизводителей. Наряду с общими классификациями действуют требования (спецификации, допуски) производителей автомобилей. Помимо классификаций по уровню качества, используют классификацию по вязкости - SAE. Подробнее о каждой системе - в статьях, приведенных ниже.