Основные функции моторного масла:
- обеспечивать чистоту деталей двигателя за счет высоких моющих, диспергирующе-стабилизирующих и солюбилизирующих свойств по отношению к различным нерастворимым загрязнениям;
- способствовать легкому холодному пуску двигателя, обеспечивать хорошую прокачиваемость при холодном пуске и надежное смазывание в экстремальных условиях при высоких нагрузках и температуре окружающей среды за счет оптимальных вязкостно-температурных свойств;
- отводить тепло от нагретых деталей, обеспечивать надежную работу двигателя при высоких температурах в зоне цилиндропоршневой группы и в зоне картера за счет высокой термической и термоокислительной стабильности;
- обеспечивать надежную смазку деталей двигателя при любых режимах его работы за счет высоких антифрикционных, противоизносных и противозадирных свойств;
- нейтрализация коррозионно-агрессивных компонентов, накапливающихся в процессе эксплуатации двигателя (продукты неполного сгорания топлива, а также воздействия кислорода воздуха и воды на материал деталей) за счет высоких противокоррозионных и защитных свойств.
Функциональные присадки
Для придания необходимых эксплуатационных свойств или улучшения имеющихся (за счет оптимизированного состава базовой основы) в масло добавляют функциональные присадки.
Все моторные масла выпускаются с присадками, их число достигает до 8 различных соединений, а общее массовое содержание – до 25%. Все они, как одиночные, так и пакеты, поставляются на маслосмесительные заводы в виде растворов присадок, содержащих около 50% активного вещества.
Очень важно соблюдение правильной технологии смешения присадок и базового масла (температуры, давления подачи сырьевых потоков, режима перемешивания, отбора контрольных проб и т.д.). Именно от этого зависит коллоидная стабильность полученного состава, которая будет определять работоспособность при эксплуатации.
Основные присадки, имеющиеся в составе масла:
- моющие,
- диспергирующие,
- антиокислительные,
- противокоррозионные,
- антифрикционные (модификаторы трения),
- противоизносные,
- депрессорные,
- загущающие (модификаторы вязкости),
- противопенные.
Моюще-диспергирующие свойства
Моюще-диспергирующие свойства характеризуют способность масла обеспечивать необходимую чистоту деталей двигателя, поддерживать продукты окисления и загрязнения во взвешенном состоянии. Чем выше этот показатель, тем больше нерастворимых веществ — продуктов старения может удерживаться без выпадения в осадок, тем меньше лакообразных отложений и нагаров образуется на горячих деталях, тем выше может быть допустимая температура деталей (степень форсирования двигателя). На чистоту двигателя также существенно влияет эффективность используемых присадок, их правильное сочетание с другими компонентами композиции, а также приемистость базового масла. В композициях используют сульфонаты, алкилфеноляты, алкилсалицилаты и фосфонаты кальция или магния и реже (по экологическим соображениям) бария, а также их рациональные сочетания друг с другом и с беззольными дисперсантами-присадками, снижающими, главным образом, склонность масла к образованию низкотемпературных отложений («шламов») и скорость загрязнения фильтров тонкой очистки. Модифицированные термостойкие беззольные дисперсанты способствуют и уменьшению лако- и нагарообразования на поршнях (находят все большее распространение в новых пакетах присадок).
Их механизм действия объясняют адсорбцией (прилипанием и обволакиванием) на поверхности нерастворимых частиц. В результате на каждой частице образуется оболочка из обращенных в объем масла углеводородных радикалов. Она препятствует коагуляции (выпадению в осадок) частиц загрязнений, их соприкосновению друг с другом (слипанию в более крупныечастицы).
При работе двигателей на топливе с повышенным содержанием серы моющие присадки, придающие маслу щелочность, препятствуют образованию отложений на деталях двигателей также и путем нейтрализации кислот, образующихся из продуктов сгорания.
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 смазочные жидкости необходимы для смазывания двухтактных бензиновых и газовых двигателей.
Антиокислительные свойства
Антиокислительные свойства в значительной степени определяют стойкость масла к старению. Условия работы настолько жестки, что предотвратить окисление смазочной жидкости полностью не представляется возможным. Соответствующей очисткой 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 фильтров и другим неблагоприятным последствиям (затруднение холодного пуска, ухудшение прокачиваемости).
Окисление 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 смазочная жидкость 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 продукты неполного сгорания топлива. Они проникают в масло вместе с газами, прорывающимися из надпоршневого пространства в картер. Ускоряют окисление частицы металлов и загрязнений неорганического происхождения, которые накапливаются 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. Довольно энергичными антиокислителями являются алкилсалицилатные и алкилфенольные составы. При длительной работе масла в двигателе интенсивный рост вязкости, обусловленный окислением, начинается после практически полного истощения антиокислительных присадок.
Смазочные свойства
Смазочные свойства включают в себя: антифрикционные (снижение трения), противоизносные (препятствие изнашиванию поверхностей трения контактирующих поверхностей) и противозадирные (предотвращение задиров поверхностей и вырывания металла).
Антифрикционные свойства достигаются путем добавления различных модификаторов трения.
Противоизносные 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 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 топливе 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, как правило, 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. Введение в состав дитиофосфатов цинка часто оказывается достаточным для предотвращения коррозионно-механического 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 их поступление к верхней части цилиндра для уменьшения расхода на угар требуют улучшения противоизносных свойств 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 наличие в масле абразивных загрязнений. Смазочная жидкость, работающая в двигателе, должна подвергаться очистке в фильтрах, центрифугах, сепараторах. Уменьшению вредного действия абразивных частиц способствуют высокие диспергирующие свойства.
Противокоррозионные свойства
Противокоррозионные свойства моторных масел зависят от состава базовых компонентов, концентрации и эффективности антикоррозионных, антиокислительных присадок и деактиваторов металлов. В процессе старения коррозионность моторных масел возрастает. Противокоррозионные присадки защищают антифрикционные материалы (свинцовистую бронзу), образуя на их поверхности прочную защитную пленку. Антиокислители препятствуют образованию агрессивных кислот.
Вязкостно-температурные свойства
Вязкостно-температурные свойства определяют диапазон температуры окружающей среды, в котором данное масло обеспечивает пуск двигателя без предварительного подогрева, его беспрепятственное прокачивание 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. Летние составы, имеющие достаточную вязкость при высокой температуре, обеспечивают пуск двигателя при температуре окружающей среды около 0 °С. Зимние, 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 смазочных жидкостей, загущенных полимерными присадками.
Вязкостно-температурные свойства загущенных масел таковы, что при отрицательных температурах они подобны зимним, а в области высоких температур — летним, то есть легко поступают к узлам трения при низких температурах и образуют надежный смазочный слой при высоких нагрузках и температурах.
В отличие от сезонных, загущенные всезонные масла изменяют вязкость под влиянием не только температуры, но и скорости сдвига, причем это изменение временное. С уменьшением скорости относительного перемещения смазываемых деталей вязкость возрастает, а с увеличением снижается. Этот эффект больше проявляется при низкой температуре, но сохраняется и при высокой, что имеет два позитивных последствия: 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, и динамическая вязкость, измеряемая при различных градиентах скорости сдвига в ротационных вискозиметрах, а также индекс вязкости — безразмерный показатель пологости вязкостно-температурной зависимости, рассчитываемый по значениям кинематической вязкости масла, измеренной при 40 и 100 °С . В нормативной документации на зимние смазочные жидкости иногда нормируют кинематическую вязкость при низких температурах. Индекс вязкости минеральных составов без присадок составляет 85-100. Синтетические базовые компоненты имеют индекс 120-150, что дает возможность получать на их основе всесезонные масла с очень широким температурным диапазоном работоспособности.
К низкотемпературным характеристикам масел относят температуру застывания, при которой оно не течет под действием силы тяжести, т.е. теряет текучесть. Она должна быть на 5-7 °С ниже той температуры, при которой смазочная жидкость должна обеспечивать прокачиваемость.
