Какие свойства готового моторного масла считаются основными

9

2. Свойства моторных масел

Важнейшими эксплуатационными свойствами моторных масел являются: вязкостно-температурные (вязкость, индекс вязкости, температура застывания), противоизносные, противоокислительные, диспергирующие (моющие), коррозионные и др.

Вязкостно-температурные свойства. Вязкость и ее зависимость от температуры являются важнейшим показателем качества моторных масел.

От вязкости масла зависит его способность обеспечить жидкостное, гидродинамическое трение в подшипниках, а, следовательно, их нормальную работу. Вязкость масла влияет на изнашивание шеек коленчатого вала и вкладышей подшипников. От вязкости масла зависит количество отводимой от узла трения теплоты. Чем меньше вязкость, тем лучше охлаждается подшипник, так как через него прокачивается больше масла, а следовательно, и больше теплоты отводится вместе с ним из зоны трения.

Выбор оптимальной вязкости масла усложняется тем, что она очень зависит от температуры. Например, при понижении температуры от 100 до 50 °С вязкость может увеличиться в 4—5 раз. При охлаждении моторных масел до 0 С и тем более до отрицательных температур их вязкость увеличивается в сотни и тысячи раз.

За многие годы изучения зависимости вязкости от температуры было предложено много способов построения вязкостно-температурных характеристик и формул, выражающих эту зависимость. Но лишь немногие из них дают удовлетворительную сходимость результатов расчета и практического определения вязкости вискозиметром. Это объясняется в первую очередь тем, что масла представляют собой жидкости, молекулы которых, имея сложное строение, образуют различные структуры, зависящие как от молекулярной массы, так и от группового химического состава масла.

Для описания зависимости вязкости моторных масел от температуры практически используют уравнения Вальтера и советского химмотолога Рамайя.

Формула Вальтера в экспоненциальной форме имеет вид

,

где — кинематическая вязкость, мм 2 /с, при температуре t ,°С; Т — абсолютная температура; а — коэффициент, зависящий от индивидуальных свойств жидкости.

Для современных масел лучшие совпадения с опытными данными получаются при а = 0,6.

Формула Рамайя имеет вид

,

где — динамическая вязкость масла;Т — абсолютная температура;

А и В — коэффициенты, постоянные для данного масла.

Формула позволяет представить вязкостно-температурную характеристику масла в координатах аргумент 1/Т — функция .

Практическое применение обеих формул показало удовлетворительное совпадение результатов расчета с опытными данными. Несколько большую точность дает формула Рамайя. Принципиальным недостатком этих уравнений является их эмпирический характер, не вскрывающий сущности физических явлений, происходящих в маслах при изменении их температуры.

На основе уравнений Вальтера и Рамайя построены и напечатаны специальные координатные сетки, на которых можно быстро построить вязкостно-температурные кривые различных моторных масел.

Практически зависимость кинематической вязкости от температуры можно изображать в трех системах координат. В диапазоне температур 50-100 °С проще всего вязкостно-температурную характеристику строить в координатах t и (рис. 1). При более широком диапазоне температур, например, от температуры застывания масла до 100 °С, рекомендуется применять сетку координат Рамайя (рис. 2).

Рис. 1. Вязкостно-температурная

характеристика масла в

Рис. 2. Вязкостно-температурная характеристика масла в координатах Рамайя

Очень важной является задача количественной оценки крутизны вязкостно-температурной кривой. Предложено несколько таких оценочных параметров.

1. Отношение кинематических вязкостей v_so и v₁₀₀. Этот простой и надежный параметр характеризует крутизну вязкостно-температурной кривой в относительно узком диапазоне температур прогретого масла, но не позволяет оценить ее в наиболее важной области низких температур, оказывающих решающее влияние на пусковые характеристики двигателя. Для моторных масел, применяемых летом или в условиях жаркого климата, v₅₀/v₁₀₀ < 6; для масел, предназначенных к применению зимой и особенно в северных районах, v₅₀/v₁₀₀ < 4.

2. Температурный коэффициент вязкости (ТКВ) при температурах от 0 до 100 °С

При оценке крутизны вязкостно-температурной кривой в условиях низких температур ТКВ дает более четкую картину, чем отношение v₅₀/v₁₀₀. Для зимних масел ТКВ_0-100 <: 22, для всесезонных < 25, для летних < 35—40.

3. Индекс вязкости (ИВ). В современных отечественных и зарубежных стандартах для оценки крутизны вязкостно-температурной кривой применяют показатель ИВ, основанный на сравнении масла с двумя эталонами.

Один из этих эталонов характеризуется крутой вязкостно-температурной кривой, а другой — пологой. Эталону:

— с крутой кривой присвоен индекс вязкости, равный 0,

— а эталону с пологой кривой — 100.

Чем выше ИВ масла, тем более пологая вязкостно-температурная кривая и тем лучше масло для зимней эксплуатации.

На рис. 3 приведен график, поясняющий принцип определения вязкостно-температурных свойств масел с помощью ИВ. На графике изображены вязкостно-температурные характеристики трех масел: двух эталонных (верхняя и нижняя кривые) и одного исследуемого (средняя кривая).

Рис. 3. Оценка вязкостно-температурной характеристики масла по ИВ:

1 – эталонное масло с ИВ=0;

2 – то же с ИВ=100;

3 – исследуемое масло

Практически ИВ вычисляют по формуле (ГОСТ 25371—82)

где v — кинематическая вязкость масла при 40 °С с ИВ = 0 и имеющим при 100 °С такую же кинематическую вязкость, как испытуемое масло, мм 2 /с; v₁ — кинематическая вязкость испытуемого масла при 40 °С, мм 2 /с; v₂ — кинематическая вязкость масла при 40 °С с ИВ = 100 и имеющим при 100 °С такую же кинематическую вязкость, как испытуемое масло, мм 2 /с; v₃ = v—v₂.

Вязкостью называется свойство жидкости оказывать сопротивление при перемещении ее слоев под действием внешней силы. Это свойство является следствием трения, возникающего между молекулами жидкости. Различают динамическую и кинематическую вязкость.

Вязкость существенно меняется с изменением температуры. С понижением температуры взаимодействие между молекулами усиливается, и вязкость масла увеличивается. Так, например, при изменении температуры на 100 °С вязкость масла может изменяться в 250 раз. Учитывая линейный характер зависимости, можно по номограмме определить вязкость масла при любой температуре.

С повышением давления вязкость масла возрастает. Величины давления в масляной пленке, заключенной между трущимися поверхностями, могут быть значительно выше, чем сами нагрузки на эти поверхности. В масляной пленке коренного подшипника коленчатого вала двигателя величина давления достигает 500 МПа.

С повышением давления вязкость более жидких масел (с пологой вязкостно-температурной характеристикой) возрастает в меньшей степени, чем более вязких масел (с более крутой вязкостно-температурной характеристикой).

При давлении (1,5-2,0)10 3 МПа минеральное масло затвердевает. Вводимые присадки в базовое масло способствуют сохранению несущей способности масляного слоя при увеличении нагрузки.

Вязкость является основным параметром при подборе масла, поэтому она всегда указана в маркировке масла. Для маркировки вязкость определяют при тех температурах, при которых работают узлы трения. Моторные масла для двигателей внутреннего сгорания маркируют по кинематической вязкости мм 2 /с (Сст) при температуре 100 °С, которая принята в качестве средней температуры масла в двигателе (картер, система смазки).

Для получения масел с хорошими вязкостно-температурными свойствами в качестве базовых используют маловязкие масла, имеющие вязкость менее 5 мм 2 /с при температуре +100 °С, и добавляют в них вязкостные присадки (загустители). В качестве присадок применяют такие полимерные соединения, как полиизобутилен, полиметакрилаты, полиалкилстиролы и др.

С понижением температуры объем макромолекул полимера уменьшается (молекулы «свертываются» в клубки). При повышении температуры клубки макромолекул «разворачиваются» в длинные разветвленные цепи, присоединяя молекулы базового масла, объем их становится больше, и вязкость масла возрастает.

Загущенные присадками масла обладают необходимым уровнем вязкости при положительных температурах 50-100 °С, пологой кривой изменения вязкости (рис. 4) и, следовательно, высоким индексом вязкости, равным 115-140. Такие масла получили название всесезонных, так как имеют одновременно свойства одного из зимних классов и одного из летних.

Рис. 4. Влияние вязкостной присадки на вязкость масла

при различных температурах:

1 – маловязкое масло; 2 – то же масло с вязкостной

В системах смазки современных автомобильных двигателей применяются именно загущенные всесезонные масла. При их использовании мощность двигателя повышается на 3-7 % (что обеспечивается высоким индексом вязкости и способностью загущенных масел снижать вязкость в парах трения при высоких скоростях сдвига), облегчается пуск и сокращается время прогрева, снижаются механические потери на трение, и, как следствие, расход топлива, увеличиваются долговечность деталей и срок службы масел. Экономия топлива достигает 5 % при больших пробегах и 15 % при коротких пробегах в зимнее время с частыми пусками двигателя (рис. 5).

Рис. 5. Снижение расхода бензина при движении автомобиля

по мере прогрева двигателя

К недостаткам загущенных масел относят низкую стабильность загущенных присадок при высоких температурах, что вызывает ухудшение вязкостно-температурных характеристик масел при длительной бессменной работе их в двигателях.

Индекс вязкости (ИВ), оценивающий вязкостно-температурные свойства масел, является условным показателем, характеризующим степень изменения вязкости масла в зависимости от температуры и определяемый путем сравнения вязкости данного масла с двумя эталонными маслами, вязкостно-температурные свойства одного из которых приняты за 100, а второго — за 0 единиц.

Индекс вязкости определяют по номограмме (рис. 6), расчетным путем или по специальным таблицам. Для определения ИВ по номограмме необходимо знать значения кинематической вязкости масла при температурах +50 °С и +100 0 С.

Рис. 6. Номограмма для определения индекса вязкости моторных масел

Чем выше ИВ, тем более пологой кривой (рис. 7) характеризуется масло и тем лучше его вязкостно-температурные свойства. Из двух масел с одинаковой вязкостью при температуре +100 °С, но с разными ИВ, одно (1) можно применять только в теплое время, так как при низких температурах оно теряет подвижность, а другое (2) — всесезонно, так как оно обеспечит легкий пуск двигателя при низких температурах воздуха и жидкостное трение при рабочих температурах.

Рис. 7. Зависимость вязкости моторных масел от температуры

для различных значений индекса вязкости: 1 – ИВ 90; 2 – ИВ 140

Учитывая то обстоятельство, что вязкость масла и индекс вязкости определяют работоспособность узла трения, то в стандартах на масла эти параметры нормируются в количественном выражении. Для автомобильных масел ИВ должен быть не менее 90.

Поэтому при производстве моторных масел необходимо любыми доступными и эффективными методами уменьшить зависимость вязкости масла от температуры, т. е. увеличить их ИВ и понизить температуру застывания. Это относится в первую очередь к зимним и всесезонным маркам масел.

Температурные характеристики моторных масел следующие:

Температура вспышки – самая низкая температура, при которой пары нагреваемого в стандартных условиях масла образуют с воздухом смесь, которая вспыхивает от открытого огня, но быстро гаснет из-за недостаточно интенсивного испарения.

Температура воспламенения – та температура, при которой пары нагреваемого в стандартных условиях масла образуют с воздухом такую смесь, которая воспламеняется и горит от открытого огня не менее 5 с. Температура вспышки является показателем пожароопасного масла. По ней можно судить о присутствии в масле летучих фракций, которые могут быстро испаряться в работающем двигателе и увеличивать расход масла на угар. Понижение температуры вспышки масла свидетельствует о разбавлении масла топливом.

Температура застывания (температура начала текучести) – самая низкая температура, при которой масло еще обладает некоторой текучестью. Определяемая в стандартных условиях температура застывания на 3 °С выше действующей температуры затвердевания, при которой в течение 5 с масло находится в неподвижном состоянии.

Температура помутнения – та, при которой появляются мелкие кристаллы парафина и масло мутнеет. В последующем кристаллы образуют каркас и масло теряет подвижность. Между кристаллами масло остается еще жидким и при сильном встряхивании текучесть масла может восстановиться. Температура помутнения зависит от скорости охлаждения, термической обработки масла и от механических воздействий.

Температура застывания служит предельной минимальной температурой разливки и, частично, эксплуатации масла. Минимальная температура эксплуатации моторных масел определяется по низкотемпературным характеристикам вязкости и перекачки.

Застывание — свойство, определяющее потерю текучести масла. При понижении температуры до определенной величины текучесть масла снижается, а при дальнейшем понижении оно застывает. С увеличением вязкости масла из него выделяются наиболее высокоплавкие углеводороды (парафин, церезин), а при полной потере текучести масла микрокристаллы твердых углеводородов (парафина) образуют пространственную кристаллическую решетку, связывающую все масло в единую неподвижную массу.

Температуру, при которой масло теряет текучесть, называют температурой застывания. Нижний температурный предел применения масла примерно на 8-12 °С выше температуры застывания, т.е.:

где: t ов — нижний температурный предел окружающего воздуха (применения данной марки моторного масла), 0 С;

t₃ — температура застывания определенной марки масла, регламентируемая стандартом, 0 С.

Снижения температуры застывания масел добиваются путем депарафинизации (частичного удаления парафинов) или добавлением присадок-депрессоров в процессе их производства. Депрессоры предотвращают образование кристаллической решетки, когда кристаллы парафина объединяются в объемные структуры. Понижая температуру застывания масла, депрессоры не влияют на его вязкостные свойства.

Противоизносные (смазывающие) свойства характеризуют способность масла препятствовать износу поверхностей трения. Образующаяся на трущихся поверхностях прочная пленка исключает непосредственный контакт деталей. Высокие противоизносные свойства масла особенно востребованы при небольших частотах вращения коленчатого вала, когда высоки удельные нагрузки, а также когда геометрические формы или размеры деталей имеют существенные отклонения, что чревато задирами, схватыванием и разрушением трущихся поверхностей.

Противоизносные свойства масла зависят от его вязкости, вязкостно-температурной характеристики, смазывающей способности, чистоты масла.

С повышением температуры масла адсорбционный слой ослабляется, а при достижении критической температуры 150-200 °С, на грани прочности пленки и сухого трения, разрушается. Масла с высокими противоизносными свойствами способны формировать для предупреждения изнашивания такой режим трения, который исключает непосредственный контакт трущихся поверхностей металлов. Поэтому возможное в данном случае изнашивание вызывается цикличностью нагрузок на отдельных участках поверхностей трения и усталостными разрушениями металла (усталостные трещины в галтелях коленчатых валов).

О смазывающей способности («маслянистости») масла судят по его химическому составу, вязкости, наличию присадок. На маслянистость влияют содержащиеся в маслах и обладающие высокими поверхностно-активными свойствами смолистые вещества, высокомолекулярные кислоты, сернистые соединения.

Правильный выбор вязкости масла в значительной мере влияет на скорость изнашивания. Высоковязкие масла при низкой температуре загустевают и плохо поступают к трущимся поверхностям деталей. В то же время пуск и прогрев двигателя на менее вязких (жидких) маслах облегчается, режим жидкостного трения наступает быстрее.

Для снижения потерь на трение в моторные масла вводят антифрикционные присадки, основой которых служат беззольные органические соединения, содержащие благородные элементы (никель, кобальт, хром, молибден). Малорастворимые поверхностно-активные вещества такого типа образуют в узлах трения многослойные защитные пленки с внедрением легирующих металлов в зону трения. Особое место при этом принадлежит молибдену, атомы которого способны связывать атомы железа и образовывать структуры, стойкие к питтингу (местному выкрашиванию металла), фреттинг-коррозии и др. Более того, только этот металл образует в результате окисления поверхностных слоев оксиды, температура плавления и твердость которых на порядок ниже, чем у металла поверхности трения.

Смазочные свойства моторного масла, как и масел для других машин и механизмов, обусловлены его вязкостью и маслянистостью, влияние и механизм действия которых различны.

Вязкость как свойство, связанное с внутренним (молекулярным) трением, проявляет себя при жидкостном (гидродинамическом) трении. Маслянистость же масла важна при возникновении граничного трения. В этих условиях прочность масляной пленки является решающим фактором, препятствующим непосредственному контакту трущихся деталей.

Установлено, что прочность масляной пленки зависит от полярной активности молекул масла, т. е. от их способности образовывать прочные слои строго ориентированных молекул.

Ориентировочное поле полярно-активных молекул образует на поверхности трущихся деталей своеобразный ворс. Чем длиннее полярно-активные молекулы масла и чем прочнее они соединяются с поверхностью трущихся деталей, тем выше маслянистость масла. Но это очень упрощенное объяснение, позволяющее понять лишь основную сущность этого явления.

В действительности в реальных условиях возникают обычно не мономолекулярные, а мультимолекулярные ориентированные слои, в которых внутримолекулярное трение приобретает особый характер, заключающийся в том, что происходит трение между отдельными слоями молекул, а не между отдельными молекулами. При соответствующем подборе полярно-активных веществ, входящих в масло, число слоев может доходить до тысячи и более, а их суммарная толщина до 1,5—2 мкм. С повышением температуры верхние слои, не имеющие прочной связи с поверхностью детали, дестабилизируются и разрушаются, но первый мономолекулярный слой разрушить трудно.

Экспериментально установлено, что коэффициент трения между деталями мало зависит от числа мономолекулярных слоев и практически одинаков как при одном, так и при нескольких десятках таких слоев. Этим можно объяснить тот факт, что достаточно добавить в масло очень немного веществ, обладающих высокой полярной активностью, как маслянистость масла, т. е. прочность его масляной пленки резко возрастает.

Процессы, связанные с маслянистостью, изучают на специальных машинах трения. Количественное определение смазывающих свойств масел ведут с помощью четырехшариковой машины (ГОСТ 9490—75*). Принцип действия этой машины заключается в следующем.

Три шарика диаметром 12,7 мм из стали ШХ-15 (подшипниковой серии) устанавливают неподвижно в виде треугольника в специальной чашеобразной обойме, в которую затем наливают испытуемое масло. На эти шарики накладывают сверху такой же шарик (четвертый), закрепленный во вращающемся, как у сверлильного станка, шпинделе.

Частота вращения шпинделя 1460±70 мин -1 . Проворачивание нижних шариков при испытании не допускается.

На четырехшариковой машине проводят серию определений, каждое из которых выполняют на новой пробе испытуемого масла и новых шариках. На машине определяют критическую нагрузку, нагрузку сваривания, индекс задира и показатель износа. При определении первых трех параметров продолжительность испытаний составляет 100,2 с, при оценке показателя износа — 600,5 мин. Режимосевой нагрузки должен быть выдержан в соответствии со стандартом.

Индекс задира и критическая нагрузка характеризуют способность масла защищать трущиеся поверхности от повреждений и задиров, а нагрузка сваривания оценивает предельную нагрузку, которую может выдержать данное масло. Показатель износа определяет влияние смазочного материала на изнашивание смазываемых поверхностей.

Его оценивают по диаметру пятен (следов) на всех трех нижних шариках. Измерения осуществляют посредством микроскопа с 24-кратным увеличением и отсчетной шкалой с ценой деления не более 0,01 мм. Каждое пятно измеряют в двух направлениях: в направлении скольжения и перпендикулярном ему.

Результатом считается среднее арифметическое всех измерений по трем нижним шарикам.

Принцип действия четырехшариковой машины показан на рис. 8.

Рис. 8. Принцип действия четырехшариковой машины

для определения противоизносных и противозадирных свойств масел:

а — схема нагружения шариковой пирамиды; б — схема

четырехшариковой обоймы; в — конструкция основного узла;

1 — неподвижные шарики; 2 — вращающийся шарик;

3 — исследуемое масло

Противоокислительные свойства характеризуются стойкостью масла к окислению и полимеризации в процессе работы двигателя, а также разложению при хранении и транспортировании.

Продолжительность работы масла в двигателе зависит от его химической стабильности, под которой понимается способность масла сохранять свои первоначальные свойства и противостоять внешнему воздействию при нормальных температурах.

На стабильность моторных масел оказывают влияние следующие факторы: химический состав, температурные условия, длительность окисления, каталитическое действие металлов и продуктов окисления, площадь поверхности окисления, присутствие воды и механических примесей. Повышенное давление воздуха ускоряет процесс окисления масла, так как усиливается процесс его взаимной диффузии с воздухом.

На процесс окисления решающее влияние оказывает температура. Масла, хранящиеся при температуре 18-20 °С, сохраняют свои первоначальные свойства в течение 5 лет. Начиная с 50-60 °С, скорость окисления удваивается с увеличением температуры на каждые 10 °С. Поэтому высокая тепловая напряженность деталей форсированных двигателей, с которыми приходится контактировать моторному маслу, и взаимодействие с прорывающимися в картер газами из камер сгорания (на такте сжатия их температура составляет около 150-450 °С для бензиновых двигателей и около 500-700 °С для дизелей) резко ухудшают условия их работы. Повышение тепловой напряженности моторных масел связано также с отдельными конструктивными решениями: использование наддува; применение герметизированной системы охлаждения (увеличивает температуру поршня на 10-20 0 С); уменьшение объема системы смазки двигателя; масляное охлаждение поршней и др.

Термоокислительную стабильность определяют как устойчивость масла к окислению в тонком слое при повышенной температуре методом оценки прочности масляной пленки.

Для замедления реакций окисления и уменьшения образования отложений в двигателе в масла вводят противоокислительные присадки.

Детергентно — диспергирующим (моющим) свойством масла называют его способность препятствовать слипанию углеродистых частиц и удерживать их в состоянии устойчивой суспензии, что значительно снижает процессы образования лаковых отложений и нагара на горячих поверхностях деталей двигателя.

При использовании масел с хорошими диспергирующими свойствами детали двигателей выглядят чистыми, как бы вымытыми, отсюда и появление термина «моющие».

Диспергирующие свойства масел оценивают в баллах от 0 до 6 по методу ПЗВ. Образование лаковых отложений на деталях двигателя, работающего на маслах с моющими присадками, уменьшается в 3-6 раз, т.е. с 3-4,5 до 0,5-1,5 балла.

Моющие присадки бывают зольными и беззольными. Зольные присадки содержат бариевые и кальциевые соли сульфикислот (сульфонаты), а также алкилфеноляты щелочноземельных металлов бария и кальция. Масла с зольными присадками в количестве 2-10 %, сгорая, образуют золу, прилипающую к поверхности деталей. Беззольные моющие присадки не образуют золы при сгорании масел, так как не содержат металлов.

Коррозионные свойства масел зависят от наличия в них органических кислот, перекисей и других продуктов окисления, сернистых соединений, неорганических кислот, щелочей и воды.

Коррозионность свежего масла, в котором присутствуют природные органические кислоты и сернистые соединения, незначительна, но резко возрастает в процессе эксплуатации. Присутствие в свежих маслах органических (нафтеновых) кислот связано с их неполным удалением в процессе очистки.

Коррозионное действие масел связано также с содержанием в них 15-20 % сернистых соединений в виде сульфидов и. компонентов остаточной серы, которые при высоких температурах приводят к выделению сероводорода, меркаптанов и других активных продуктов. В условиях высоких температур сернистые соединения особенно агрессивны по отношению к серебру, меди, свинцу. В процессе использования масла содержание кислот в нем возрастает в 3-5 раз, что зависит от его химической стабильности, содержания антиокислителей и условий работы.

Оценку коррозионной стойкости производят по кислотному числу, которое для свежих масел не превышает 0,4 мг КОН на 1 г масла. В коррозионном отношении эта концентрация практически не опасна.

Коррозионные процессы в двигателях замедляют нейтрализацией кислых продуктов путем введения антикоррозионных присадок; замедлением процессов окисления путем добавления в масла антиокислительных присадок; созданием на поверхности металла (при изготовлении деталей) стойкой защитной пассивированной пленки из органических соединений, содержащих серу и фосфор.

Известны присадки и ингибиторы коррозии и их композиции, которые снижают все виды износа.

Подбор масла с оптимальными значениями эксплуатационных свойств зависит от конструкции и режима работы узла трения.

Вязкость — одно из важнейших свойств масла, имеющее многостороннее эксплуатационное значение. От вязкости в значительной степени зависит режим смазки пар трения, отвод тепла от рабочих поверхностей и уплотнение зазоров, энергетические потери в двигателе, его эксплуатационные свойства. Быстрота пуска двигателя, прокачивание масла по системе смазки, охлаждение трущихся поверхностей деталей и их очистка от загрязнений также зависят от вязкостно-температурных свойств масла.

Масла повышенной вязкости используются для высоконагруженных, низкооборотных или работающих в условиях напряженного теплового режима двигателей. При этом, чем выше вязкость масла в работающем двигателе, тем надежнее уплотнения, меньше вероятность прорыва газов, ниже угар масла. Поэтому масла с большой вязкостью применяют в случаях, когда двигатель изношен, зазоры увеличены или условия эксплуатации характеризуются высокой запыленностью, повышенной температурой, изменяющимися в больших пределах нагрузками.

Масла с меньшей вязкостью применяют для легконагруженных высокооборотных двигателей. Они облегчают пуск двигателя, лучше прокачиваются по системе смазки и очищаются от механических примесей, обеспечивают хороший отвод тепла от рабочих поверхностей деталей.

Температура масла значительно влияет на его кинематическую вязкость. С понижением температуры вязкость увеличивается, а с повышением — уменьшается. Чем меньше перепад вязкости в зависимости от температуры, тем в большей степени масло удовлетворяет эксплуатационным требованиям.

Увеличение вязкости масел с понижением температуры приводит к значительным трудностям при использовании автомобилей, особенно в зимнее время года при пуске двигателей. При отрицательных температурах в диапазоне от -10 °С до -30 °С резко увеличивается момент сопротивления проворачиванию коленчатого вала двигателя, медленнее достигается минимальная пусковая частота вращения, ухудшается подача масла к трущимся поверхностям деталей.

Надежный пуск бензиновых двигателей осуществляется при значениях частоты вращения коленчатого вала в пределах 35 — 50 мин -1 при температуре окружающего воздуха -10 0 С . -20 0 С, а дизелей с различным способом смесеобразования — в среднем в интервале 100 — 200 мин -1 при температуре 0 0 С. Вязкость моторного масла, при которой пусковая система современных двигателей различной конструкции не обеспечивает вращения коленчатого вала, изменяется в пределах (4 — 10) ·10 3 мм 2 /с. Поэтому для обеспечения пуска двигателя в холодное время моторные масла должны обладать низкой вязкостью при отрицательных температурах.

Функции моторного масла и его основные свойства

Масло – элемент конструкции двигателя. Его характеристики (прежде всего вязкостно-температурные) закладываются на стадии проектирования.

Основные свойства масел

Плотность и удельный вес

Плотность вещества — это соотношение его массы к объему (кг/м3), 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 одна из важнейших характеристик масел, которая характеризует внутреннее трение, определяет текучесть и способность обеспечить гидродинамический (жидкостной) режим смазывания. Вязкость зависит от температуры, в диапазоне рабочих температур (обычно от минус 30°С до 150°С) вязкость минеральных масел изменяется в тысячи раз.
Различают кинематическую и динамическую (абсолютную) вязкость. Первая, характерная для простых масел при положительных температурах, определяется в капиллярных вискозиметрах, а вторая — для загущенных (всесезонных) масел и масел при отрицательных температурах, определяется в ротационных вискозиметрах, ее величина зависит не только от температуры, но и от градиента скорости сдвига.
Кинематическую вязкость в технической системе единиц измеряют в Стоксах (Ст) или сантистоксах (сСт), а в системе СИ в м 2 /с или в мм 2 /с.
Динамическая вязкость представляет собой произведение кинематической вязкости на плотность жидкости, в технической системе ее измеряют в сантипуазах (сП), а в системе СИ — в миллиПаскаль-секундах (мПас), где 1 сП= 1 мПа-с.
Моторные масла, как и большинство смазочных материалов, изменяют вязкость в зависимости от своей температуры. Чем ниже температура, тем больше вязкость и наоборот.
Всесезонное масло работает в диапазоне температур от -35 (холодный пуск зимой) до 150-180ºС (работа двигателя летом под полной нагрузкой), что соответственно вызывает многократное изменение его вязкости.
Чтобы обеспечить холодный пуск двигателя (проворачивание коленвала стартером и прокачивание масла по системе смазки) при низких температурах, вязкость не должна быть очень большой.
При высоких температурах масло не должно иметь очень малую вязкость, чтобы создавать прочную масляную пленку между трущимися деталями и необходимое давление в системе.
Для обеспечения необходимой вязкости во всем диапазоне рабочих температур всесезонные моторные масла изготавливают из маловязкой основы и полимерных загущающих присадок (модификаторов вязкости). Основа, имеющая небольшую вязкость, обеспечивает нужные низкотемпературные характеристики. Молекулы загущающих присадок представляют собой «клубки» полимеров (веществ, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев), «набухающие» при нагревании, что сохраняет достаточную вязкость при высокой температуре.
Вязкость загущенного всесезонного масла зависит также и от скорости перемещения его слоев относительно друг друга. С ее увеличением вязкость временно снижается, поскольку «клубок» полимерной присадки «растягивается» и оказывает меньшее сопротивление перемещению слоев.
Способность снижать вязкость в зависимости от скорости уменьшает потери на внутреннее трение в масле и, соответственно, потери мощности двигателя. Например, при движении поршня от верхней или нижней мертвой точки его скорость возрастает и в определенный момент возникает гидродинамический режим смазки (масло полностью разделяет поверхности деталей). Полимерная загущающая присадка в это время понижает вязкость масла, тем самым снижая потери мощности, развиваемой двигателем.

Индекс вязкости

Индекс вязкости (сокращенно VI, от английского Viscosity Index) безрамерный показатель характеризует зависимость вязкости масла от изменения температуры. Чем больше индекс вязкости, тем меньше вязкость масла изменяется при колебании температуры. Он зависит от углеводородного состава масла, наличия вязкостных (загущающих) присадок, глубины очистки масляных фракций. Для минеральных масел без вязкостных присадок индекс вязкости составляет 85-100, масла с вязкостными присадками и синтетические масла-компоненты могут иметь индекс вязкости 120-150. У маловязких глубокоочищенных масел индекс вязкости может достигать 200.

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). Показатель характеризует наличие в масле легкокипящих фракций, он связан с испаряемостью масла в процессе эксплуатации.

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.

Щелочное число (TBN) и кислотное число (TAN)

В процессе эксплуатации в смазочных маслах накапливаются кислые и/или щелочные продукты, которые образуются в результате окисления, разрушения молекул базового масла и присадок, загрязнения масел, в том числе, накопления в них продуктов неполного сгорания топлива, сажи. Общее щелочное число (TBN) и общее кислотное число (TAN) анализируются в лабораторных условиях. TBN выражается через количество гидроокиси калия в миллиграммах, эквивалентное количеству всех щелочных компонентов, содержащихся в 1 г. масла (мг КОН/г). TAN выражается через количество гидроокиси калия в мг, необходимое для нейтрализации кислых продуктов, содержащихся в 1 г. масла (мг КОН/г).

Моторные масла! ЧАСТЬ #3!(Основные свойства моторных масел)

Вязкость — одно из важнейших свойств масла, определяющее его применимость в двигателях различных типов. Различают динамическую, кинематическую и техническую вязкость. Динамическая вязкость обусловлена внутренним трением между движущимися слоями масла и измеряется в пуазах (П). Кинематическая вязкость — определяется как отношение динамической вязкости к плотности при той же температуре и измеряется в сантистоксах (сСт). Техническая, или условная вязкость определяется как отношение времени истечения из вискозиметра 200 мл масла, взятого в секундах, ко времени истечения из того же вискозиметра при тех же условиях 200 мл воды. В настоящее время для оценки этого свойства масла как правило используется индекс вязкости, характеризующий пологость кривой зависимости кинематической вязкости масла от температуры.

Коксуемость — определяет склонность масла к образованию нагаров и смол. Низкую коксуемость имеют хорошо очищенные масла. В ходе эксплуатации автомобиля коксуемость масла, залитого в его двигатель, повышается из-за процессов окисления и смолообразования. Склонность масла к образованию нагара характеризует его коксовое число, определяемое по результатам испарения 10 г масла в безвоздушной среде. Для маловязких масел коксуемость обычно составляет не более 0,1 — 0,15 %, для масел с большой вязкостью — до 0,7 %.

Зольность — характеризует наличие в масле оставшихся после его очистки или содержащихся в составе присадок минеральных веществ, которые при сгорании масла образуют золу. Масло с высокой зольностью имеет высокую склонность к нагарообразованию. Как правило, высокую зольность имеют либо плохо очищенные масла, либо масла с устаревшими пакетами присадок (например — моющими присадками класса сульфонатов, образующими при сгорании очень твёрдую и абразивную сульфатную золу). Зольность моторного масла выше 1 % считается высокой, старые масла с присадками могли иметь зольность до 3…4 %.

Содержание механических примесей, увеличивающих износ двигателя и способных засорять масляные каналы и фильтры. Наличие в масле механических примесей как правило является следствием низкой культуры производства и хранения масла. В ходе эксплуатации автомобиля оно повышается из-за накопления продуктов износа (в первую очередь вкладышей коленчатого вала).

Содержание воды — вода является вредной примесью, способствующей образованию эмульсии (пены), что ухудшает смазывание двигателя из-за забивания каналов, а также способствует шламообразованию.

Щелочное число — характеризует содержание в масле водорастворимых кислот и щелочей, что определяет его корродирующее действие на металлы и моющую способность. Выражается через количество гидроксида калия (KOH) на грамм масла (мгКОН/г). В ходе эксплуатации автомобиля содержание кислот в масле повышается, а его щелочное число падает, что связано с повышением его коррозионной активности и ухудшением моющих свойств.

Моющие свойства масла — его способность препятствовать появлению тёмных лаковых отложений на юбке и боковой поверхности поршня. Определяются качеством очистки базового масла, его щелочным числом, а также содержанием и уровнем качества моющих, диспергирующих и иных присадок, удерживающих загрязнения в составе масла и препятствующих их осаждению на поверхности деталей.

Температура вспышки — характеризует наличие в масле легкокипящих фракций, что определяет его склонность к сгоранию и нагарообразованию при соприкосновении с раскалёнными деталями двигателя. Хорошие масла характеризуются высокой температурой вспышки. В ходе эксплуатации падает из-за разжижения масла.

Температура застывания — определяет момент потери маслом подвижности, то есть, способности вести себя как жидкость. Пуск двигателя возможен лишь при температуре большей температуры застывания масла.

Цвет масла и его прозрачность — отчасти характеризуют качество масла. Раньше, когда в ходу были исключительно минеральные масла без присадок, качество масел в рамках одного и того же сорта определяли по его цвету: хорошо очищенные масла имели золотисто-медовый или янтарный цвет и высокую прозрачность, плохо очищенные — тёмный коричневый, вплоть до почти чёрного. В настоящее время данный признак не является определяющим при определении качества моторного масла, поскольку современные масла могут иметь широкий спектр цветов, в зависимости от типа базового масла и состава пакета присадок. В ходе эксплуатации масла оно темнеет, что является следствием окисления базового масла и накопления в нём загрязнений.

Моторные масла

Моторные масла — это масла, применяемые для смазывания поршневых двигателей внутреннего сгорания. В зависимости от назначения их подразделяют на масла для дизелей, масла для бензиновых двигателей и универсальные моторные масла, которые предназначены для смазывания двигателей обоих типов.

1. Назначение моторных масел и требования к ним

Все современные моторные масла состоят из базовых масел и улучшающих их свойства присадок. В качестве базовых масел используют дистиллятные компоненты различной вязкости, остаточные компоненты, смеси остаточного и дистиллятных компонентов, а также синтетические продукты (поли-альфа-олефины, алкилбензолы, эфиры). Большинство всесезонных масел получают путем загущения маловязкой основы макрополимерными присадками. По составу базового масла моторные масла подразделяют на синтетические, минеральные и полусинтетические (смеси минеральных и синтетических компонентов).

Условия работы масел в двигателях внутреннего сгорания постоянно ужесточаются. Форсирование нагрузочных и скоростных режимов двигателей, уменьшение удельной емкости системы смазки приводят к росту температуры основных деталей и, как следствие, к ускорению окисления масел.

Основная функция моторного масла — снижение трения и износа трущихся поверхностей деталей двигателя за счет создания на их поверхностях прочной масляной пленки. Одновременно моторные масла должны обеспечивать:

• уплотнение зазоров в сопряжениях работающего двигателя, и в первую очередь деталей цилиндропоршневой группы;
• эффективный отвод тепла от трущихся поверхностей деталей, удаление из зон трения продуктов износа и других посторонних веществ;
• надежную защиту рабочих поверхностей деталей двигателя от коррозионного воздействия продуктов окисления масла и сгорания топлива;
• предотвращение образования всех видов отложений (нагары, лаки, зольные отложения, шламы) на деталях двигателя при его работе на различных режимах;
• высокую стабильность при окислении, механическом воздействии и обводнении, т.е. сохранение первоначальных свойств как в многообразных условиях применения, так и при длительном хранении;
• малый расход масла при работе двигателя;
• большой срок службы масла до замены без ущерба для надежной работы двигателя.

Для выполнения этих функций моторные масла должны иметь:

• оптимальные (в зависимости от уровня формирования двигателя) моющие, диспергирующие, нейтрализующие и антиокислительные свойства, благодаря которым обеспечивается чистота деталей двигателя в период эксплуатации;
• высокие противоизносные, противозадирные и противокоррозионные свойства, обеспечивающие надежную, долговечную и экономичную работу двигателей в течение установленного моторесурса;
• высокий индекс вязкости (особенно для зимних и всесезоннных масел) для сохранения минимально допустимой толщины масляной пленки в нагруженных узлах двигателя при высоких температурах и хорошей прокачиваемости масла через зазоры в сопрягаемых узлах, обеспечивающий легкий пуск при отрицательных температурах;
• совместимость с различными по составу базовой основой и присадками.

К некоторым маслам предъявляют особые, дополнительные требования. Так, масла, загущенные макрополимерными присадками, должны обладать требуемой стойкостью к механической и термической деструкции; для судовых дизельных масел особенно важна влагостойкость присадок и малая эмульгируемость с водой, для энергосберегающих — антифрикционность, благоприятные реологические свойства.

2. Свойства масел и методы их оценки

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, тем меньше лакообразных отложений и нагаров образуется на горячих деталях, тем выше может быть допустимая температура деталей (степень форсирования двигателя). Кроме концентрации моющедиспергирующих присадок на чистоту двигателя существенно влияет эффективность используемых присадок, их правильное сочетание с другими компонентами композиции, а также приемистость базового масла.

В композициях моторных масел в качестве моющих присадок используют сульфонаты, алкилфеноляты, алкилсалицилаты и фосфонаты кальция или магния и реже (по экологическим соображениям) — бария, а также рациональные сочетания этих зольных присадок друг с другом и с беззольными дисперсантами-присадками, снижающими, главным образом, склонность масла к образованию низкотемпературных отложений и скорость загрязнения фильтров тонкой очистки масла. Модифицированные термостойкие беззольные дисперсанты способствуют и уменьшению лако- и нагарообразования на поршнях (рис. 4).

Рис. 4. Поршни дизеля с наддувом после равного времени испытания масла с недостаточными (а) и вполне удовлетворительными (б) моюще-диспергирующими свойствами

Механизм действия моющих присадок объясняют их адсорбцией на поверхности нерастворимых в масле частиц. В результате на каждой частице образуется оболочка из обращенных в объем масла углеводородных радикалов. Она препятствует коагуляции частиц загрязнений, их соприкосновению друг с другом. Полярные молекулы присадок образуют двойной электрический слой, придающий одноименные заряды частицам, на которых они адсорбировались. Благодаря этому частицы отталкиваются и вероятность их объединения в крупные агрегаты уменьшается.

При работе двигателей на топливах с повышенным содержанием серы моющие присадки, придающие маслу щелочность, препятствуют образованию отложений на деталях двигателей также и 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, абразивному изнашиванию.

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 и двигателей, работающих на газе. Наибольшую зольность имеют высокощелочные цилиндровые масла.

Моющие свойства моторных масел в лабораторных условиях определяют на модельной установке ПЗВ, представляющей собой малоразмерный одноцилиндровый двигатель с электроприводом и электронагревателями. Стендовые моторные испытания для оценки моющих свойств проводят либо в полноразмерных двигателях, либо в одноцилиндровых моторных установках по стандартным методикам. Критериями оценки моющих свойств служит чистота поршня, масляных фильтров, роторов центрифуг, подвижность поршневых колец. Диспергирующие свойства масел оценивают в баллах от 0 до 6. Образование лаковых отложений на деталях двигателя, работающего на маслах с моющими присадками, уменьшается в 3–6 раз, т.е. с 3…4,5 до 0,5…1,5 балла.

Антиокислительные свойства в значительной степени определяют стойкость масла к старению. Условия работы моторных масел в двигателях настолько жестки, что предотвратить их окисление полностью не представляется возможным. Соответствующей очисткой базовых масел от нежелательных соединений, присутствующих в сырье, использованием синтетических базовых компонентов, а также введением эффективных антиокислительных присадок можно значительно затормозить процессы окисления масла, которые приводят к росту его вязкости и коррозионности, склонности к образованию отложений, загрязнению масляных фильтров и другим неблагоприятным последствиям (затруднение холодного пуска, ухудшение прокачиваемости масла).

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 стебли клапанов). В объеме масло окисляется менее интенсивно, так как в поддоне картера, радиаторе, маслопроводах температура ниже и поверхность контакта масла с окисляющей газовой средой меньше. Во внутренних полостях двигателя, заполненных масляным туманом, окисление более интенсивно.

На скорость и глубину окислительных процессов значительно влияют попадающие в масло продукты неполного сгорания топлива. Они проникают в масло вместе с газами, прорывающимися из надпоршневого пространства в картер. Ускоряют окисление масла частицы металлов и загрязнений неорганического происхождения, которые накапливаются в масле в результате изнашивания деталей двигателя, недостаточной очистки всасываемого воздуха, нейтрализации присадками неорганических кислот, а также металлорганические соединения меди, железа и других металлов, образующиеся в результате коррозии деталей двигателя или взаимодействия частиц изношенного металла с органическими кислотами. Все эти вещества — катализаторы окисления.

Стойкость моторных масел к окислению повышают введением в их состав антиокислительных присадок. Наилучший антиокислительный эффект достигается при введении в масло присадок, обладающих различным механизмом действия. В качестве антиокислительных присадок к моторным маслам применяют диалкил- и диарилдитиофосфаты цинка, которые улучшают также антикоррозионные и противоизносные свойства. Их часто комбинируют друг с другом и с беззольными антиокислителями.

К числу последних относят пространственно затрудненные фенолы, ароматические амины, беззольные дитиофосфаты и др. Довольно энергичными антиокислителями являются некоторые моюще-диспергирующие присадки, в частности алкилсалицилатные и алкилфенольные. При длительной работе масла в двигателе интенсивный рост вязкости, обусловленный окислением, начинается после практически полного истощения антиокислительных присадок. В стандартах и технических условиях на моторные масла их стойкость к окислению косвенно характеризуется индукционным периодом осадкообразования (окисление по ГОСТ 11063–77 при 200 °С). При моторных испытаниях антиокислительные свойства масел оценивают по увеличению их вязкости за время работы в двигателе установки ИКМ (ГОСТ 20457–75) или Petter W-1.

Противоизносные свойства моторного масла зависят от химического состава и полярности базового масла, состава композиции присадок и вязкостно-температурной характеристики масла с присадками, которая в основном предопределяет температурные пределы его применимости (защита деталей от износа при пуске двигателя, при максимальных нагрузках и температурах окружающей среды). Особенно важны эффективная вязкость масла при температуре 130…180 °С и градиенте скорости сдвига 105…107 с–1, зависимость вязкости от давления, свойства граничных слоев и способность химически модифицировать поверхностные слои сопряженных трущихся деталей.

При работе на топливах с повышенным или высоким содержанием серы, а также в условиях, способствующих образованию азотной кислоты из продуктов сгорания (газовые двигатели, дизели с высоким наддувом), важнейшей характеристикой способности масла предотвращать коррозионный износ поршневых колец и цилиндров является его нейтрализующая способность, показателем которой в нормативной документации служит щелочное число. Различные узлы и детали двигателей смазываются обычно одним маслом, а условия трения, изнашивания и режим смазки существенно различны. Подшипники коленчатого вала, поршневые кольца в сопряжении с цилиндром работают преимущественно в условиях гидродинамической смазки. Зубчатые колеса привода агрегатов, масляных насосов и детали механизма привода клапанов работают в условиях эластогидродинамической смазки. Вблизи мертвых точек жидкостное трение поршневых колец по стенке цилиндра переходит в граничное.

Множественность факторов, влияющих на износ деталей двигателей, принципиальные различия режимов трения и изнашивания узлов затрудняют оптимизацию противоизносных свойств моторных масел. Придание маслу достаточной нейтрализующей способности и введение в его состав дитиофосфатов цинка часто оказывается достаточным для предотвращения коррозионномеханического изнашивания и модифицирования поверхностей деталей, тяжело нагруженных сопряжений во избежание задиров или усталостного выкрашивания. Однако тенденция к применению маловязких масел для достижения экономии топлива и ограничение поступления масла к верхней части цилиндра для уменьшения расхода на угар требуют улучшения противоизносных свойств масел при граничной смазке. Это достигается введением специальных противоизносных присадок, содержащих серу, фосфор, галогены, бор, а также введением беззольных дисперсантов, содержащих противоизносные фрагменты.

Большое влияние на износ оказывает присутствие в масле абразивных загрязнений. Их наличие в свежем масле не допускается, а масло, работающее в двигателе, должно подвергаться очистке в фильтрах, центрифугах, сепараторах. Уменьшению вредного действия абразивных частиц способствуют высокие диспергирующие свойства масла.

Трибологические характеристики, определяемые на четырехшариковой машине трения (ЧШМ) по ГОСТ 9490–75, нормированы стандартами и техническими условиями на многие моторные масла для контроля процесса производства. Однако непосредственную связь между оценкой противоизносных и противозадирных свойств на машине трения и фактическими противоизносными свойствами моторных масел в реальных условиях применения установить не всегда возможно. При моторных испытаниях противоизносные свойства масел оценивают по потере массы поршневых колец, задиру или питтингу кулачков и толкателей, линейному износу этих деталей и цилиндров, состоянию поверхностей трения.

Антикоррозионные свойства моторных масел зависят от состава базовых компонентов, концентрации и эффективности антикоррозионных, антиокислительных присадок и деактиваторов металлов. В процессе старения коррозионность моторных масел возрастает. К повышению коррозионности более склонны масла из малосернистых нефтей с высоким содержанием парафиновых углеводородов, образующих в процессе окисления агрессивные органические кислоты, которые взаимодействуют с цветными металлами и их сплавами. Антикоррозионные присадки защищают антифрикционные материалы (свинцовистую бронзу), образуя на их поверхности прочную защитную пленку. Антиокислители препятствуют образованию агрессивных кислот. Иногда необходимо вводить в моторные масла присадки-деактиваторы, образующие хелатные соединения с медью, предохраняющие поверхность от коррозионного разрушения. Антикоррозионные присадки типа дитиофосфатов цинка, применяемые в большинстве моторных масел, не защищают от коррозии сплавы на основе серебра и фосфористые бронзы, а при высокой температуре активно способствуют их коррозии. В двигателях, в которых используют такие антифрикционные материалы, необходимо использовать специальные масла, не содержащие дитиофосфатов цинка.

В лабораторных условиях антикоррозионные свойства моторных масел оценивают по методу СТБ ИСО 2160–2003 по потере массы медных пластин за 10 или 25 ч испытания при температуре 140 °С. При моторных испытаниях антикоррозионные свойства масел оценивают по потере массы вкладышей шатунных подшипников полноразмерных двигателей или одноцилиндровых установок ИКМ или Petter W-1, а также по состоянию их поверхностей трения (цвет, натиры, следы коррозии).

Вязкостно-температурные свойства — одна из важнейших характеристик моторного масла. От этих свойств зависит диапазон температуры окружающей среды, в котором данное масло обеспечивает пуск двигателя без предварительного подогрева, беспрепятственное прокачивание масла насосом по смазочной системе, надежное смазывание и охлаждение деталей двигателя при наибольших допустимых нагрузках и температуре окружающей среды. 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 до 180…190 °С.

Вязкость минеральных масел в интервале температур от –30 до 150 °С изменяется в тысячи раз. Летние масла, имеющие достаточную вязкость при высокой температуре, обеспечивают пуск двигателя при температуре окружающей среды около 0 °С. 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. Это усложняет и удорожает эксплуатацию двигателей. Проблема решена созданием всесезонных масел, загущенных полимерными присадками (полиметакрилаты, сополимеры олефинов, полиизобутилены, гидрированные сополимеры стирола с диенами и др.). Вязкостно-температурные свойства загущенных 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, что обусловлено увеличением объема макрополимерных молекул с повышением температуры и рядом иных эффектов.

В отличие от сезонных загущенные 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 следствия: снижение вязкости в начале проворачивания холодного двигателя стартером облегчает пуск, а небольшое снижение вязкости масла в зазорах между поверхностями трения деталей прогретого двигателя уменьшает потери энергии на трение и дает экономию топлива.

Характеристиками вязкостно-температурных свойств служат:

• кинематическая вязкость, определяемая в капиллярных вискозиметрах;
• динамическая вязкость, измеряемая при различных градиентах скорости сдвига в ротационных вискозиметрах;
• индекс вязкости — безразмерный показатель пологости вязкостно-температурной зависимости, рассчитываемый по значениям кинематической вязкости масла, измеренной при 40 и 100 °С (ГОСТ 25371–82).

Под вязкостью понимают объемное свойство масла оказывать сопротивление при относительном перемещении его слоев. Для характеристики моторного масла наиболее широко применяются динамическая μ (Па · с) и кинематическая v (мм2/с) вязкость. За единицу динамической вязкости принимают вязкость, при которой для относительного перемещения со скоростью 1 м/с двух слоев жидкости площадью 1 м2, находящихся на расстоянии 1 м по нормали к направлению скорости, необходимо приложить усилие в 1 Н.

Кинематическая и динамическая вязкость связаны между собой выражением

(3)

где ρ — плотность масла.

По вязкости моторные масла подразделяются на маловязкие (3…4 мм2/с при 100 °С), средневязкие (4…6 мм2/с при 100 °С) и вязкие (8…9 мм2/с при 100 °С и выше). Вязкость моторного масла определяет толщину масляной пленки на поверхностях трения и, следовательно, износ деталей двигателя внутреннего сгорания, его прокачиваемость при низких температурах и надежность смазывания при высоких температурах, а также потери на трение и расход топлива.

На вязкость моторного масла наиболее существенное влияние оказывает температура, и значительно меньше она изменяется под действием давления, электрических и магнитных полей и ряда других факторов. Например, в интервале температур от –18 до 100 °С вязкость загущенных моторных масел изменяется в 280–600 раз, у незагущенных минеральных масел изменение вязкости происходит в 1200 и более раз.

При повышении давления от атмосферного до 60 МПа вязкость масла увеличивается в 2,5–3,5 раза. Известно также влияние на вязкость масла трибоэлектрических полей, образующихся в результате возникновения разности потенциалов на границе раздела фаз металл — масло и вызывающих электро-вязкостный эффект, проявляющийся в увеличении вязкости масла.

Одним из важнейших показателей качества моторного масла является зависимость его вязкости от температуры, определяемая пологостью вязкостно-температурной характеристики (ВТХ). Для оценки пологости ВТХ в интервале температур 50…100 °С используют отношение v₅₀/v₁₀₀. Чем меньше значение данного отношения, тем лучше ВТХ в данном температурном интервале. Для летних сортов масел

для зимних и северных

Пологость ВТХ в области более низких температур определяется температурным коэффициентом вязкости ТКВ:

(4)

где v₀, v₅₀ и v₁₀₀ — кинематическая вязкость масла при 0, 50 и 100 °С.

Значения ТКВ_0–100 не превосходят: 35…40 — для летних масел; 22 — для зимних; 25 — для всесезонных.

Наибольшее распространение для оценки пологости ВТХ получил метод определения индекса вязкости (ИВ).

Расчет величины ИВ (ГОСТ 25371–97 «Нефтепродукты. Расчет индекса вязкости по кинематической вязкости») основан на сравнении свойств испытуемого масла с двумя эталонными маслами, одно из которых имеет ИВ = 0, другое — ИВ = 100. ИВ масла может быть определен расчетным методом по следующей зависимости (для масел с ИВ < 100):

(5)

где L — кинематическая вязкость при 40 °С масла с ИВ = 0, мм2/с; U — кинематическая вязкость испытуемого масла при 40 °С, мм2/с; H — кинематическая вязкость при 40 °С масла с ИВ = 100, мм2/с, причем вязкость проверяемого и эталонных масел при 100 °С одинакова.

Для масел с ИВ ≥ 100 используется выражение

(6)

где N = (log H — log U) / log v₁₀₀.

На практике для определения ИВ чаще всего используют специальные таблицы или номограммы (рис. 5).

Рис. 5. Номограмма для определения индекса вязкости моторного масла

По величине ИВ моторные масла подразделяются на низкоиндексные (ИВ ≤ 80), среднеиндексные (80…90) и высокоиндексные (90…95 и выше). Для изготовления современных высококачественных масел применяют также базовые масла со сверхвысоким индексом вязкости (ИВ > 100), представляющие собой продукты глубокой переработки нефти. Однако ИВ характеризует вязкостные свойства моторных масел только в области положительных температур, поэтому для зимних марок масел дополнительно указывают вязкость при температурах –18 °С и ниже.

В нормативной документации на зимние масла иногда нормируют кинематическую вязкость при низких температурах. ИВ для минеральных масел без вязкостных присадок составляет 85…100. Он зависит от углеводородного состава и глубины очистки масляных фракций. Углубление очистки повышает индекс вязкости, но снижает выход рафината. Синтетические базовые компоненты имеют ИВ, равный 120…150, что дает возможность получать на их основе всесезонные масла с очень широким температурным диапазоном работоспособности.

Температура застывания. Низкотемпературные свойства масла, его прокачиваемость при отрицательных температурах характеризуются температурой 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. Температурой застывания считают температуру, при которой масло в пробирке, наклоненной под углом 45°, в течение 1 мин не изменяет своего положения.

В большинстве случаев застывание моторных масел обусловлено образованием в объеме охлаждаемого масла кристаллов парафинов. Требуемая нормативной документацией температура застывания достигается депарафинизацией базовых компонентов и/или введением в состав моторного масла депрессорных присадок (полиметакрилаты, алкилнафталины и др.). Понижая температуру застывания масла, депрессаторы не влияют на вязкостные свойства. Температура застывания отечественных зимних сортов минеральных масел обычно не выше –25…–30 °С. Полусинтетические и синтетические моторные масла имеют температуру застывания –35…–50 °С и ниже.

Температура вспышки (ГОСТ 1.004–85 «Требования пожарной безопасности при хранении нефтепродуктов») характеризует наличие в масле легкокипящих фракций и топлива и определяет испаряемость и расход масла, его взрывобезопасность и вредное воздействие на окружающую среду. Значение температуры вспышки минеральных масел обычно составляет 200…225 °С, синтетических — 230…240 °С и выше. Для работавших масел предельное значение температуры вспышки равно в среднем 170…180 °С.

Коксуемость. Склонность масла к образованию нагара и лаковых отложений на деталях ДВС характеризуется коксуемостью

масла. Коксуемость моторных масел определяется массой коксового остатка, полученного при прокаливании навески масла без доступа воздуха, и выражается в процентах от массы навески. Вводимые в базовое масло присадки повышают его коксуемость.

Щелочное число. Важнейшей характеристикой способности масла предотвращать коррозионный износ деталей двигателя является его нейтрализующая способность, показателем которой служит щелочное число. Щелочное число моторного масла определяется как количество KОН (мг), эквивалентное количеству соляной кислоты, необходимой для нейтрализации всех основных соединений, содержащихся в 1 г анализируемого масла. Масла группы Г₂, применяемые для автотракторных дизелей, имеют щелочное число не менее 6…7,5 мг KОН/г.

Кроме вышеперечисленных находят применение и такие показатели качества моторного масла, как термоокислительная стабильность, кислотное число, моющие свойства, коррозионность, зольность, стабильность по индукционному периоду осадкообразования, содержание активных элементов присадок, механических примесей и воды, и другие, определяемые по специальным методикам.

3. Присадки к моторным маслам

Практически все современные моторные масла состоят из базового масла — основы, в которую для улучшения эксплуатационных свойств вводят различные химические соединения — присадки. Например, для зимних и летних моторных масел в качестве базовых применяют масла селективной очистки М-6 (дистиллятное), М-8, М-11, М-14, М-16 (смешанные) и МС-20 (остаточное). Однако необходимо помнить, что даже самые хорошие присадки не способны превратить низкокачественные базовые масла в высококачественные смазочные материалы.

Присадки в моторное масло впервые были введены фирмой Castrol в 1935 г. В связи неуклонным ростом требований к качеству моторных масел содержание в них присадок постоянно увеличивается. Так, по данным С.В. Венцеля, среднее содержание присадок в моторных маслах в 1967 г. составляло 5 %, в 1969 г. — 10 %, в 1974 г. — 15 % и более. Содержание присадок в современных моторных маслах достигает 20…30 % и более.

Основные типы присадок для современных моторных масел и их свойства приведены в приложении 14. В последнее время разработаны присадки нового класса — металлсодержащие смазочные композиции, основными компонентами которых являются ультрадисперсные порошки меди, олова, свинца, цинка, алюминия, никеля, кобальта, кадмия, серебра и других металлов.

В качестве примера можно привести присадку «Кластер», применение которой снижает износ деталей двигателя внутреннего сгорания в 1,4–1,8 раза, момент трения — в 1,37 раза, дымность отработавших газов — на 20…30 %; повышает противозадирную стойкость в 1,4 раза, давление в системе смазки — на 10…15 %.

Известна также присадка «РиМЕТ», разработанная на основе ультрадисперсной композиции из сплава меди, олова и серебра, применение которой снижает потери на трение, восстанавливает изношенные детали, повышает давление моторного масла в системе смазки карбюраторных и дизельных двигателей, восстанавливает компрессию, а также другие присадки к моторному маслу аналогичного действия — Energy Release (ER), XER₂ (США), Lubrifilm Diamond, СуперМЕТ, Ресурс, Феном, Форсан, Униплак и др.

Другим перспективным направлением является использование геомодификаторов трения, представляющих собой присадки к маслу, созданные на основе природных минералов — слоистых силикатов — и инициирующие в трибосистемах самоорганизующиеся процессы. Применение геомодификаторов трения позволяет повысить долговечность подшипников скольжения на 15…25 %. Все более широкое применение находят металлоплакирующие присадки Металл-5, Медь-1, Медь-2, БДМ и др., при использовании которых износ деталей двигателя внутреннего сгорания уменьшается на 20…40 %. Для снижения биоповреждения моторных масел в них вводят биоцидные присадки.

Производители моторного масла в странах СНГ все шире применяют присадки фирмы «Газпромнефть», а также известных зарубежных фирм. Еще в СССР с 1989 г. при производстве масел М-8-Г₂к, М-10-Г₂к для автомобилей КамАЗ, МАЗ использовали пакет присадок фирмы Lubrizol. В России при производстве моторных масел применяется до 70 % присадок зарубежных фирм Lubrizol, Shell, ESSO, Chevron и др.

4. Классификация смазочных масел по отечественным и международным стандартам

Руководство по эксплуатации автотракторной техники допускает применение моторных масел различных фирм-производителей, объединенных общей классификацией по вязкостным и эксплуатационным свойствам.

На упаковке с названием фирмы-изготовителя обязательно присутствуют буквенные и цифровые обозначения.

Классификация моторных масел согласно ГОСТ 1741–85 подразделяет их на классы по вязкости и группы по значению и уровням эксплуатационных свойств. В соответствии с этим стандартом моторные масла по вязкости делятся на два класса (обычные и всесезонные), а по эксплуатационным свойствам — на шесть групп, обозначаемых буквами А, Б, В, Г, Д и Е.

Обычные масла делятся на зимние и летние по кинематической вязкости (с большей вязкостью применяются летом, с меньшей — зимой) и нормируются вязкостью при температуре 100 °С. Всесезонные масла обозначаются дробью, в числителе которой указывается класс вязкости зимнего, в знаменателе — летнего масла (табл. 1).

Таблица 1. Кинематическая вязкость моторных масел по классам, мм2/с

Ниже приведено описание отечественной классификации моторных масел с учетом изменения № 3 к ГОСТ 1741–85, которым увеличено число классов вязкости и изменены их границы, введены новые группы по назначению и уровням эксплуатационных свойств, а также некоторые наименования.

Согласно ГОСТ 1741–85 моторные масла по уровню эксплуатационных свойств разделены на шесть групп, обозначаемых первыми шестью буквами русского алфавита и цифровыми индексами. Чем дальше от начала алфавита отстоит буква в маркировке моторного масла, тем выше уровень его качества.

Соответствие масел той или иной группе устанавливается на основании результатов моторных и лабораторных испытаний, включенных в комплексы методов квалификационной оценки (КМКО), утвержденных Госстандартом РФ. Индексом «1» маркируются масла для бензиновых двигателей, индекс «2» предназначен для обозначения масел для дизелей. Универсальные масла, предназначенные для эксплуатации в обоих типах двигателей, цифрового индекса не имеют. В случае соответствия масла сразу нескольким эксплуатационным классам последние указываются друг за другом в порядке возрастания требований к качеству. Последним в маркировке моторного масла (в случае необходимости) стоит буквенно-цифровой индекс, характеризующий особенности применения данного конкретного масла.

Рекомендуемые для применения в автотракторных двигателях группы моторных масел отечественного производства в зависимости от эксплуатационных свойств представлены в приложении 15. Марка М-6_з/10-В указывает, что это моторное масло всесезонное, универсальное для среднефорсированных дизелей и бензиновых двигателей (группа В).

М-4_з/8-В₂-Г₁ — моторное масло, всесезонное, универсальное для среднефорсированных дизелей (группа В₂) и высокофорсированных бензиновых двигателей (группа Г₁).

М-14-Г₂ (цс) — моторное масло класса вязкости 14, предназначено для высокофорсированных дизелей без наддува или с умеренным наддувом. В данном случае после основного обозначения в скобках указана дополнительная характеристика области применения («цс» означает: циркуляционное судовое).

М-14-Д (цл20) — моторное масло для высокофорсированных дизелей с наддувом, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях («цл20» — применимое в циркуляционных и лубрикаторных смазочных системах и имеющее щелочное число 20 мг KОН/г).

В большинстве развитых стран мира общепринятой служит классификация моторных масел по вязкости, установленная SAE (Американским обществом автомобильных инженеров) в стандарте SAE J300 JUN 87.

Данная классификация содержит 9 классов: 4 зимних – 5W, 10W, 15W, 20W (W: winter — зима) — и 5 летних — 20, 30, 40, 50,

1. Всесезонные масла имеют двойное обозначение через дефис, причем первым указывается зимний (с индексом W) класс, а вторым — летний, например SAE 5W-40, SAE 10W-30 и т.д. Зимние масла характеризуют два максимальных значения низкотемпературной (динамической, в отличие от кинематической для ГОСТа) вязкости и нижний предел кинематической вязкости при 100 °С. Летние масла характеризуют пределы кинематической вязкости при 100 °С, а также минимальное значение динамической высокотемпературной (при 150 °С) вязкости и градиенте скорости сдвига 106 с–1.

В обеих вязкостных классификациях (ГОСТ, SAE) чем меньше цифра в числителе с индексом «з» (ГОСТ) или перед буквой «W» (SAE), тем меньше вязкость масла при низкой температуре и, соответственно, легче холодный пуск двигателя. Чем больше цифра, стоящая в знаменателе (ГОСТ) или после дефиса (SAE), тем больше вязкость масла при высокой температуре и надежнее смазывание двигателя в летнюю жару (табл. 2).

В табл. 3 приведено ориентировочное соответствие классов вязкости моторных масел.

Наиболее известной международной классификацией моторных масел по областям применения и уровню эксплуатационных свойств является классификация API (Американского института нефти). Со времени введения (1947 г.) данная классификация неоднократно дополнялась, однако принцип разделения масел на две категории (S и C) сохранился до настоящего времени.

Таблица 2. Классификация моторных масел по ГОСТ 1741–85 и SAE J300 JUN 87

Таблица 3. Примерное соответствие классов вязкости моторных масел по ГОСТ 1741–85 классификации API

В данной системе классификации моторные масла маркируются двухбуквенным индексом. Первая буква означает категорию: к категории S (Service) относятся масла для четырехтактных бензиновых двигателей, к категории C (Commercial) — масла, предназначенные для дизелей автомобильного транспорта, внедорожной строительной и сельскохозяйственной техники. Универсальными называют масла, которые могут применяться для смазывания бензиновых и дизельных двигателей. Второй буквой является показатель группы масла по уровню эксплуатационных свойств. Чем дальше от начала латинского алфавита расположена буква, тем выше уровень эксплуатационных свойств моторного масла.

В настоящее время в категорию S классификация API включает 11 классов масел в следующем порядке возрастания требований к их качеству: SA, SB, SС, SD, SE, SF, SG, SH, SJ, SL, SM, а в категорию С — 12 классов: CA, CB, CC, CD, CD-II, СЕ, CF, CF-2,

CF-4, CG-4, CH-4, СI-4. Цифры при обозначении классов CD-II, CF-4 и CG-4 дают дополнительную информацию об использовании данного класса масел в двухтактных или четырехтактных дизелях соответственно. Для обозначения универсальных масел принята двойная маркировка, например SF/CC, SG/CD, CF-4/SH и т.п. (см. приложение 1).

В настоящее время API выдает лицензии на выпуск масел только высших категорий качества (не ниже SH), предназначенных для бензиновых двигателей не позднее 1994 г. выпуска. Для эксплуатации бензиновых двигателей, выпущенных после 1997 г., предназначены масла класса SJ. Наиболее совершенное масло категории SL на частично или полностью синтетической основе с высокоэффективным пакетом присадок надлежит эксплуатировать в самых совершенных бензиновых турбонаддувных многоклапанных двигателях производства 2001 г. и позже, вынужденных работать в наиболее напряженных условиях. Для дизельных масел лицензии API выдаются на продукты категории качества не ниже CF. Однако при поставке масел на экспорт и при их производстве в третьих странах могут вырабатываться масла и более низких классов по API. Примерное соответствие групп моторных масел по уровню эксплуатационных свойств по ГОСТ 1741–85 и по АPI представлено в табл. 4.

Американские и японские автомобилестроители, сотрудничая в рамках Международного комитета по стандартизации и одобрению смазочных материалов (ILSAC), разработали минимальные стандартные требования к моторным маслам для автомобильных бензиновых двигателей. Классификация ILSAC содержит два класса масел, обозначаемых GF-1 и GF-2. С 2002 г. введены новые требования GF-3, а с 2004 г. — требования GF-4. По уровню требований к эксплуатационным свойствам они практически идентичны требованиям к маслам классов SJ и SL по API, но обязательно предъявляются высокие требования по экономии топлива и отсутствию компонентов, отрицательно влияющих на каталитический дожигатель отработанных газов.

Таблица 4. Примерное соответствие групп моторных масел по уровню эксплуатационных свойств по ГОСТ 1741–85 и АPI

работающие в эксплуатационных условиях, более

работающие в тяжелых эксплуатационных условиях

и дизели, работающие в эксплуатационных условиях,

работающие в эксплуатационных условиях,

По классификации ILSAC при испытаниях на стандартизированном моторном стенде SEQ IIIE масла группы GF-1 должны экономить не менее 1,5 % бензина (Energy Conserving I), а масла группы GF-2 (Energy Conserving II) — 2,3 % в сравнении с работой двигателя на эталонном масле класса вязкости 15W-40.

Масла, сертифицированные по API на соответствие требованиям ILSAC, маркируются стандартным символом (знаком качества в виде шестеренки с текстом внутри рисунка на английском языке: «Американский институт нефти, для бензиновых двигателей, сертифицировано»). Классификация масел по API на получение знака «Донат» в сочетании со знаком ILSAC характерна для американских производителей масел и не нашла широкого применения в Европе.

Несмотря на исторический приоритет, в настоящее время американская классификация API утрачивает свою монополию в Европе. Учитывая тот факт, что основными критериями эксплуатационных свойств масел являются результаты испытаний на специальных серийных двигателях, различия в конструктивных решениях и методиках определения свойств моторных масел привели к появлению европейской классификации ACEA.

Европейская ассоциация автомобильных производителей (ACEA), в которую входят ведущие гиганты автомобилестроения: BMW, DAF, Ford of Europe, General Motors Europe, MAN, Mercedes- Benz, Peugeot, Porche, Renault, Rolss-Royce, Rover, Saab-Scania, Volkswagen, Volvo, FIAT, — ввела с 1996 г. новую классификацию моторных масел, которая базируется на европейских методах испытаний, а также использует некоторые общепризнанные американские моторные и физико-химические методы испытаний по API, SAE и ASTM. Данная классификация заменила существовавшую с середины 1990-х гг. классификацию ССМС (Комитет автопроизводителей стран общего рынка).

С 1 марта 1998 г. требования к эксплуатационным свойствам моторных масел были ужесточены, что нашло отражение в новом европейском стандарте АСЕА-98. В 1998–1999 гг. происходило уточнение и дополнение классификации АСЕА-98–99 с исключением старых и введением новых классов, требования которых обязательны к выполнению с 1 сентября 2000 г. В 2004 г. состоялся очередной пересмотр классификации моторных масел, оформленный в виде стандарта АСЕА-2004.

В отличие от американской классификации API, в которой до сих пор не выделены в самостоятельный класс масла для дизелей легковых автомобилей, европейский стандарт АСЕА классифицирует моторные масла на три основные категории по назначению: А — для бензиновых двигателей; В — для дизельных двигателей легковых автомобилей; С — масла, совместимые с каталитическими нейтрализаторами отработавших газов; Е — для дизельных двигателей грузовых автомобилей.

Внутри каждой категории эксплуатационные свойства соответствующих масел выделены в отдельные группы, обозначаемые цифрой после буквы. Чем больше цифра, тем в более жестких условиях работает двигатель и, соответственно, выше требования к качеству масла. Последние две цифры (через дефис) в маркировке масла обозначают год введения данной категории. Для некоторых новых классов оставлено обозначение старого класса, но с добавлением более позднего номера выпуска.

Классификация эксплуатационных свойств моторных масел по АСЕА приведена в приложении 2.

Примеры обозначений: А1-98; В3-98 выпуск 2; Е3-96 выпуск 4; В5-02 и т.д.

В группы А1, В1, А5, В5 выделены специальные маловязкие, так называемые энергосберегающие, масла, снижающие трение и позволяющие тем самым экономить не менее 2,5 % топлива. При этом по остальным эксплуатационным свойствам эти масла должны быть не хуже уровня 2.

Примерное соответствие европейской (АСЕА) и американской (API) классификаций моторных масел представлено в табл. 5.

Таблица 5. Таблица примерного соответствия европейской (АСЕА) и американской (API) классификаций моторных масел

Маркировка моторного масла для европейского рынка должна содержать 4 параметра: вязкость (по SAE), эксплуатационные свойства по американской (API) и европейской (АСЕА) классификациям, одобрение фирм-производителей автомобилей.

Пример маркировки моторного масла: SAE 5W-50; API SJ/CF АСЕА А3/В3; MB 21, BMW, VW 501/500, Porsche.

Указанная маркировка означает:

• по вязкостно-температурным свойствам SAE 5W-50 данное моторное масло относится к всесезонным маслам, сочетающим в себе зимний (SAE 5W) и летний (SAE 50) классы вязкости;
• эксплуатационные свойства API SJ/CF по американской классификации API свидетельствуют, что масло может быть использовано для бензиновых двигателей легковых автомобилей, выпускаемых с конца 1996 г. (SJ), а также для дизелей легковых автомобилей, выпускаемых с 1993 г. (CF);
• эксплуатационные свойства АСЕА А3 и В3 по европейской классификации АСЕА свидетельствуют, что это масло экстракласса для бензиновых двигателей скоростных легковых автомобилей, предъявляющих особые требования к противоокислительным, вязкостным и противоизносным свойствам (А3), а также масло экстра-класса для легковых дизельных двигателей с турбонаддувом (В3);
• коды одобрения фирм-производителей МВ 21, BMW, VW 501/500 и Porsche указывают, что масло может быть использовано для двигателей легковых автомобилей фирмы Mercedes-Benz выпуска с 1997 г. (ММ 21), одобрено к применению для двигателей BMW и Porsche, используется как всесезонное масло (VW 501) для двигателей автомобилей Volkswagen и Audi и двигателей с турбонаддувом (VW 500) этих же заводовизготовителей.

5. Ассортимент моторных масел для двигателей внутреннего сгорания

Масла для бензиновых двигателей. Четырехтактные бензиновые двигатели — преобладающий тип двигателей легковых автомобилей, микроавтобусов, легких и среднетоннажных грузовиков. Условия работы моторных масел в этих транспортных средствах характеризуются очень высокими термическими нагрузками при езде вне городов и резкопеременными режимами работы при езде в городах, где часты остановки, поездки на короткие расстояния, при которых двигатель не прогревается до оптимальной температуры масла и охлаждающей жидкости.

Этим обусловлены специфические требования к маслам для четырехтактных бензиновых двигателей: с одной стороны, способность предотвращать образование высокотемпературных отложений (нагары, лак на деталях цилиндропоршневой группы), особо высокая стойкость к окислению; с другой стороны — способность предотвращать образование низкотемпературных отложений (осадки, шламы в картере, на сетке маслоприемника и других деталях) и защищать детали двигателя от ржавления под действием конденсирующихся в непрогретом или остывающем двигателе продуктов сгорания топлива.

Двухтактные бензиновые двигатели, устанавливаемые на мопедах, мотороллерах, мотоциклах, снегоходах, моторных лодках, а также бензопилах, газонокосилках, часто смазывают маслами, которые предварительно растворяются в топливе и сгорают вместе с ним. Специфические требования к маслам для двухтактных бензиновых двигателей — смешиваемость с бензинами; полная растворимость в них; способность предотвращать закоксовывание поршневых колец, образование отложений на поршне, в выпускных окнах и глушителе, повреждение поверхностей трения поршня и цилиндра (задиры, риски); защита деталей двигателя от ржавления; малая зольность для обеспечения работы свечей зажигания и предотвращения преждевременного воспламенения рабочей смеси от зольных отложений в камере сгорания; малое влияние на токсичность отработавших газов (дымность). Масла для четырехтактных бензиновых двигателей этими свойствами не обладают.

При выборе масел для конкретных объектов техники следует руководствоваться инструкциями по эксплуатации, где указаны сроки смены масел и масляных фильтров и другие операции по техническому обслуживанию смазочной системы двигателя, а для двухтактных двигателей — рекомендуемое соотношение «масло — топливо».

Моторные масла групп Г₁, В и В₁. Масла группы Г₁ предназначены для использования в форсированных двигателях легковых автомобилей, которые работают на бензинах с октановым числом по исследовательскому методу выше 90. Эти масла содержат высокоэффективные композиции отечественных присадок или пакеты импортных присадок. Их готовят на основе дистиллятных компонентов, загущенных макрополимерными присадками.

Масла групп В и В₁ предназначены для двигателей легковых и грузовых автомобилей, работающих на бензине с октановым числом до 80. Их применяют всесезонно. Они содержат композиции отечественных присадок или пакеты импортных присадок, добавляемых к дистиллятным или компаундированным базовым маслам.

Моторное масло М-5_з/10-Г₁ (ГОСТ 10541–78) готовят на базовом масле И-20 А. Используют в регионах с низкими температурами зимних месяцев как всесезонное.

Моторное масло М-6_з/12-Г₁ (ГОСТ 10541–78) готовят на основе смеси дистиллятных компонентов различной вязкости с добавлением присадок, обеспечивающих высокие противоизносные свойства. Применяют всесезонно в регионах с умеренными климатическими условиями при температуре воздуха от –20 до 45 °С.

Моторное масло М-4_з/6-В₁ (ГОСТ 10541–78) получают загущением базового масла (веретенное АУ) полиметакрилатной присадкой и добавлением композиции моющих, антиокислительной и противопенной присадок. Применяют всесезонно в северной климатической зоне и в районах с умеренными климатическими условиями только как зимнее масло. Обеспечивает холодный пуск двигателя при –30 °С.

Моторное масло М-6_з/10-В (ГОСТ 10541–78) получают на основе высококачественного компаундированного базового масла и эффективной композиции присадок. Применяют всесезонно в среднефорсированных бензиновых двигателях и безнаддувных дизелях. Это универсальное масло отличается повышенной работоспособностью. В бензиновых двигателях грузовых автомобилей пробег до замены масла составляет 18 тыс. км, а в дизелях — до 500 моточасов.

Моторное масло М-8-В (ГОСТ 10541–78) готовят из смеси дистиллятного и остаточного компонентов или дистиллятного компонента узкого фракционного состава с эффективной композицией присадок. Используют всесезонно в среднефорсированных бензиновых двигателях легковых и грузовых автомобилей с периодичностью замены до 18 тыс. км пробега, а также как зимнее масло для среднефорсированных автотракторных дизелей.

Основные характеристики масел приведены в приложении 3.

Масла для дизельных двигателей. Дизели отличаются от других двигателей внутреннего сгорания большим разнообразием конструкций, способов смесеобразования, назначений, условий эксплуатации и чрезвычайно широким диапазоном агрегатных мощностей (от нескольких киловатт до десятков тысяч). Поэтому ассортимент дизельных масел значительно различается по предъявляемым к ним требованиям и эксплуатационным свойствам. Важнейшие критерии, определяющие выбор смазочного масла, — тип и назначение дизеля, уровень его форсирования, степень жесткости условий эксплуатации, вид и качество применяемого топлива. Инструкции по эксплуатации техники содержат информацию о допущенных к применению марках масел, регламентах обслуживания смазочных систем дизелей, включая сроки замены или показатели предельного состояния масел.

Все дизельные масла содержат присадки, вводимые в дистиллятные, компаундированные или остаточные базовые масла селективной очистки, выработанные из малосернистых или сернистых нефтей. Диапазон уровней эксплуатационных свойств дизельных масел охватывает все группы классификации ГОСТ 1741–85.

Масла групп А и Б₂ предназначены для дизелей старых моделей, работающих на топливах с небольшим содержанием серы. Спрос на масла этих групп сохраняется в большинстве случаев в силу традиции и невысокой цены. За редкими исключениями масла групп А и Б₂ могут быть заменены более эффективными маслами группы В₂ того же класса вязкости.

Основные характеристики масел приведены в приложении 4.

Масла группы В₂ вырабатываются из малосернистых и сернистых нефтей. Они содержат композиции присадок, придающие маслам эксплуатационные свойства, обеспечивающие надежное смазывание безнаддувных автотракторных дизелей старых моделей, а также судовых, тепловозных, стационарных и транспортных дизелей среднего уровня форсирования при работе на дистиллятных дизельных топливах с содержанием серы до 0,5 % (массовая доля).

Масла М-8-В₂ (ТУ 38.401-58-37–92) и М-10-В₂ (ГОСТ 8581–78) готовят на основе смеси дистиллятного и остаточного компонентов, выработанных из сернистых нефтей. Применяют для смазывания автотракторных дизелей Д-240 зимой (М-8-В₂) и летом (М-10-В₂).

Масло М-14-В₂ (ГОСТ 12337–84) получают смешением дистиллятного и остаточного компонентов, выработанных из сернистых или малосернистых нефтей, с композицией присадок. Используют для смазывания двигателей карьерных автосамосвалов. Масло М-16-В₂ (ТУ 38.101235–74) состоит из смеси остаточного и дистиллятного компонентов, получаемых из малосернистых нефтей, и композиции присадок. Предназначено для смазывания главных двигателей речных судов.

Масло М-16ИХП-3 (ГОСТ 25770–83) производят из смеси остаточного и дистиллятного компонентов, вырабатываемых из сернистых нефтей. Содержит специфическую композицию присадок. Применяют для смазывания форсированных транспортных дизелей, включая и двигатели с наддувом.

Основные характеристики масел приведены в приложении 5.

Масла группы Г₂ вырабатывают из сернистых и малосернистых нефтей. Все масла этой группы содержат значительно больше более эффективных присадок, чем масла группы В₂. Высокая степень легирования масел группы Г₂ позволяет применять их в более жестких условиях, где необходима высокая термическая стабильность, лучшие антиокислительные, моюще-диспергирующие, нейтрализующие и противоизносные свойства. Высокооборотные дизели, смазываемые маслами группы Г₂, эксплуатируют на дистиллятных топливах с содержанием серы до 0,5 % (массовая доля), а средне- и малооборотные судовые дизели с большим диаметром цилиндра — до 1,5 % (массовая доля).

Масла М-8-Г₂ и М-10-Г₂ (ГОСТ 8581–78) получают смешением дистиллятного и остаточного компонентов, вырабатываемых из сернистых нефтей, с композицией присадок. Используют соответственно для зимней и летней эксплуатации автотракторных дизелей без наддува или с невысоким наддувом. Масло М-10-Г₂ применяют также для смазывания высокооборотных стационарных дизелей и дизель-генераторов.

Масла М-8-Г₂к и М-10-Г₂к (ГОСТ 8581–78) отличаются от масел М-8-Г₂ и М-10-Г₂ только существенно более эффективными композициями присадок, что дает возможность увеличивать сроки замены масла, успешно использовать масла М-8-Г₂к и М-10-Г₂к в современных автомобилях КамАЗ, МАЗ.

Масло М-14-Г₂к (ТУ 38.401-58-98–94) имеет тот же состав, что и масла Г₂к (ГОСТ 8581–78). Предназначено для четырехтактных транспортных дизелей. Можно применять вместо масла М-10-Г₂к для летней эксплуатации автотракторных дизелей в регионах с продолжительным и жарким летом.

Масла М-8-Г₂у и М-10-Г₂у (ТУ 38.401-58-21–91) получают смешением дистиллятного и остаточного компонентов, вырабатываемых из сернистых нефтей, с композицией присадок, отличающейся существенно повышенными и пролонгированными антиокислительными и моюще-диспергирующими свойствами. Предназначены для автотракторных и стационарных дизелей, в которых применяют масла М-8-Г₂к и М-10-Г₂к. Переход на масла марки Г₂у

дает возможность увеличить срок замены масла и элементов фильтров тонкой очистки в 2 раза, сократить расход масла и затраты на техническое обслуживание дизелей, уменьшить вдвое объем отработанных масел, что важно для экологии тех местностей, где нет условий для их утилизации.

В двигателях автомобилей КамАЗ замена масла необходима после пробега 25…30 тыс. км.

Основные характеристики масел приведены в приложениях 6, 7.

Масла группы Д₂ вырабатывают на основе базовых компонентов, получаемых из сернистых нефтей, или с применением синтетических компонентов. В составах масел группы Д₂ эффективные присадки используют в высоких концентрациях для достижения уровня эксплуатационных свойств, обеспечивающего длительную работоспособность наиболее форсированных двигателей в особо тяжелых эксплуатационных условиях, в частности при применении топлив с повышенным содержанием серы.

Масла М-8-ДМ и М-10-ДМ (ГОСТ 8581–78) состоят из смеси дистиллятного и остаточного компонентов, вырабатываемых из сернистых нефтей, и новой композиции присадок, улучшающей антикоррозионные и противоизносные свойства масел марки ДМ. Предназначены соответственно для зимней и летней эксплуатации высокофорсированных дизелей с турбонаддувом, работающих в тяжелых условиях. Могут использоваться в дизелях без наддува со значительно увеличенным пробегом между заменами масла. Обеспечивают надежное смазывание отечественной и импортной техники (карьерные большегрузные самосвалы, промышленные тракторы большой мощности с двигателями водяного или воздушного охлаждения, экскаваторы, бульдозеры, автопогрузчики, трубоукладчики).

Масло М-14-ДМ (ТУ 38.401-58-22–91) отличается от масла М-10-ДМ большей вязкостью базового масла, но имеет то же назначение. Предпочтительно применение в местностях с жарким продолжительным летом, а также в двигателях, для смазывания которых необходимо масло класса вязкости 14 (SАЕ 40).

Масло М-6_з/14-ДМ (ТУ 38.401-938–92) состоит из маловязкого базового масла, выработанного из сернистых нефтей и загущенного вязкостной присадкой, и композиции присадок. Это всесезонное масло может применяться круглый год в дизелях с наддувом, эксплуатируемых в тяжелых условиях, вместо двух сезонных масел М-8-ДМ и М-10-ДМ.

Масло МТ-5_з/10-Д (ТУ 38.401-58-40–92) готовят путем загущения маловязкого базового масла из сернистых нефтей полимерной вязкостной присадкой и добавления композиции присадок, придающей готовому продукту свойства высокоэффективного дизельного масла, трансмиссионного масла группы ТМ-4 (GL-4 по АРI) и гидравлической жидкости для гидросистем промышленных тракторов и сельскохозяйственных машин. Применяют всесезонно в регионах с умеренными климатическими условиями как единое моторно-трансмиссионно-гидравлическое масло, обеспечивающее надежное смазывание дизелей с наддувом, включая двигатели воздушного охлаждения, агрегатов тракторных трансмиссий и гидросистем, управляющих рабочими органами машин. Аналогично импортным маслам, называемым STOU (Super Tractor Oil Universal).

Масло МТ-4_з/8-ДС (ТУ 38.401-58-54–92) готовят на основе синтетических базовых компонентов и специальной композиции присадок. Используют как всесезонное единое масло для двигателей, агрегатов трансмиссий и гидросистем промышленных тракторов в климатических условиях Севера. Применяют во всех объектах техники, смазываемых маслом МТ-5_з/10-Д при умеренных климатических условиях.

Масло М-14-ДР (ТУ 38.401-1063–97) состоит из смеси дистиллятного и остаточного компонентов, вырабатываемых из сернистых нефтей, и композиции присадок, придающих маслу повышенную стойкость к старению. Обеспечивает значительное увеличение пробега без замены масла и увеличение срока службы элементов фильтров тонкой очистки по сравнению с маслами М-14-Г₂. Аналогично импортным маслам четвертого поколения.

Основные характеристики масел приведены в приложении 8.

6. Особенности синтетических и полусинтетических моторных масел

Синтетические и полусинтетические моторные масла, обладающие по ряду эксплуатационных свойств лучшими показателями, чем нефтяные (минеральные) масла, находят в настоящее время все большее применение (табл. 6).

Таблица 6. Основные показатели синтетических и минеральных моторных масел

К достоинствам синтетических и полусинтетических моторных масел относятся:

• значительно более высокий индекс вязкости, чем у минеральных масел аналогичных и даже лучших марок и сортов;
• лучшая вязкостно-температурная характеристика некоторых синтетических масел в зоне отрицательных температур, а также более низкая температура потери подвижности обеспечивают более легкий пуск двигателей при более низких температурах окружающего воздуха;
• меньшая склонность к образованию низкотемпературных отложений способствует нормальной эксплуатации двигателей в районах Крайнего Севера;
• высокие показатели вязкости при рабочих температурах 250…300 °С (в 3–5 раз выше равновязких им минеральных масел при температуре 100 °С) обеспечивают гарантированные условия гидродинамической смазки до более высоких температур и термическую стабильность;
• низкая испаряемость и малая склонность к образованию высокотемпературных отложений позволяют использовать эти масла в высокофорсированных теплонагруженных двигателях и при эксплуатации автомобилей в условиях жаркого климата;
• лучшие противоокислительные, диспергирующие свойства и механическая стабильность, равные или лучшие (в зависимости от синтетической основы) противоизносные и противозадирные характеристики, что обеспечивает хорошее состояние двигателя;
• большой срок службы до замены и меньший расход на угар сокращают эксплуатационный расход на 30…40 %;
• снижение расхода топлива на 4…5 % благодаря созданию оптимальных условий трения.

Синтетические моторные масла в зависимости от основы бывают диэфирными (при их производстве используются сложные эфиры двухосновных карболовых кислот), полиалкенгликолевыми, полисилоксановыми, фторуглеродными и хлорфторуглеродными.

Диэфиры, образующиеся при взаимодействии двухосновных кислот с одноатомными спиртами и одноосновных кислот с многоатомными спиртами, применяются при производстве синтетических масел наиболее часто. Каталитические процессы этерификации при получении диэфира происходят путем взаимодействия себациновой кислоты С₈Н₁₆, вырабатываемой из касторового масла, с изооктиловым спиртом С₈Н₁₇ОН.

Масла, получаемые на основе диэфиров, превосходят минеральные почти по всем важнейшим эксплуатационным свойствам: имеют более высокие индексы вязкости и низкие температуры застывания, меньшие испаряемость и огнеопасность. В то же время диэфирные масла более агрессивны по отношению к деталям из маслостойкой резины, вызывают набухание и размягчение резиновых прокладок, шлангов и др.

Полигликоли по своей структуре — простые полиэфиры с длинными цепями, получаемые взаимодействием различных гликолей и других спиртов с окисью этилена, окисью пропилена или их смесями. Молекула полигликоля может содержать одну или несколько свободных гидроксильных групп, замена которых на алкильную эфирную группу приводит к получению эфиров полигликолей. Различные радикалы, вводимые в молекулу полигликоля, влияют на свойства получаемых масел.

Полигликолевые масла, помимо лучших, чем у минеральных, противоизносных свойств, отличаются более пологой вязкостнотемпературной характеристикой, более низкой температурой застывания, имеют высокий индекс вязкости, выдерживают высокие рабочие температуры, не провоцируют коррозии металлов, а также, в отличие от эфирных масел, не вызывают набухания и размягчения натуральной и синтетической резины. Широкое применение синтетических масел на полигликолевой основе ограничивается только высокой стоимостью их производства.

Полисилоксаны (силиконы) — полимерные кремнийорганические соединения, находящие все более широкое применение в качестве специальных смазочных масел и жидкостей. В их основе лежит цепочка из чередующихся атомов кремния и кислорода. Углеводородные и другие органические радикалы различного строения закрывают боковые цепи атомов кремния. Практическое применение в качестве смазочных масел имеют полимеры с метильными радикалами (метилполисилоксаны) и этильными радикалами (этилполисилоксаны).

Полисилоксаны отличаются низкой температурой застывания, имеют пологую вязкостно-температурную кривую, термостабильны. Эти масла и масла на их основе химически инертны, не вызывают коррозию стали, чугуна, меди, латуни, бронзы, свинца и других металлов даже при нагревании до температуры 150 °С. Однако у масел этой группы низкая смазывающая способность и противоизносные свойства, которые несколько улучшаются введением присадок. Поэтому полисилоксаны более перспективны в качестве рабочих жидкостей в гидравлических системах и гидроамортизаторах, а также для изготовления пластичных смазок.

Фторуглеродные масла получают путем замены в углеводородах всех атомов водорода фтором, а хлорфторуглеводородные масла — путем замены атомов водорода частично хлором, а частично — фтором.

Фторуглеродные масла обладают хорошими смазочными свойствами. Высокие термическая и химическая стабильность, инертность к кислотам и щелочам, минимальная коррозионная агрессивность позволяют использовать их в узлах трения, работающих при высоких температурах в атмосфере химически активных веществ. Однако низкая температура кипения и высокая температура замерзания при очень крутой вязкостно-температурной кривой исключают их применение в качестве моторных масел.

Хлорфторуглеводородные масла характеризуются более высокой температурой кипения, лучшими вязкостно-температурными свойствами и смазывающей способностью, но несколько худшими термической и химической стабильностью.

Синтетические масла объединяют в себе свойства самых маловязких зимних и вязких летних классов (SAE 5W-50 и SAE 0W-40) и имеют обозначение Fully Synthetic, что переводится как «полностью синтетическое». Стоимость синтетических моторных масел в среднем в 2–3 раза выше минеральных. Тем не менее применение их целесообразно не только с эксплуатационной точки зрения, но и с экономической, так как они обладают большим сроком службы в двигателях до замены и меньшим расходом на угар.

Полусинтетические моторные масла — это минеральные масла, улучшенные благодаря специальной технологии очистки и содержащие синтетические добавки или 30…40 % синтетической основы (SAE 10W-30 и SAE 10W-40). Обозначаются они как Semi-Synthetic. Такие масла обладают лучшими эксплуатационными свойствами и дороже минеральных, однако дешевле полностью синтетических.

Переход на хорошо очищенные минеральные, полусинтетические и синтетические масла облегчает пуск двигателя при низких (до –40 °С) температурах и экономит 2…5 % топлива за счет снижения потерь на трение в гидродинамическом режиме смазки.