Моторные масла — масла, применяемые главным образом для снижения трения между движущимися деталями поршневых и роторных двигателей внутреннего сгорания.
Все современные моторные масла состоят из базовых масел и улучшающих их свойства присадок. В качестве базовых масел обычно используют дистиллятные и остаточные компоненты различной вязкости (углеводороды), их смеси, углеводородные компоненты полученные гидрокрекингом и гидроизомеризацией, а также синтетические продукты (высокомолекулярные углеводороды, полиальфаолефины, сложные эфиры и другие). Большинство всесезонных масел получают путём загущения маловязкой основы макрополимерными присадками.
История[править | править код]
Первое в мире моторное масло было запатентовано в 1873 году американским доктором Джоном Эллисом. В 1866 году Эллис изучал свойства сырой нефти в медицинских целях, но обнаружил, что сырая нефть обладает хорошими смазочными свойствами. Эллис залил экспериментальную жидкость в заклинившие клапаны большого V-образного парового двигателя. В результате клапаны освободились и стали двигаться свободнее, а Джон Эллис зарегистрировал бренд Valvoline (от Valve — «клапан» и Oil — «масло», то есть «клапанное масло» [источник не указан 133 дня]) — первый в мире бренд моторного масла.
Для смазывания цилиндров паровых машин использовались сначала животные жиры, а затем — специальные высоковязкие остаточные нефтяные масла (цилиндровые масла: цилиндровое 24 — вискозин, цилиндровое 52 — вапор и другие) с добавкой животных жиров, обладающие достаточно высокой температурной стабильностью и водоотталкивающими свойствами. По сравнению с современными моторными маслами цилиндровые масла отличались высокой вязкостью (даже по сравнению с современными высоковязкими моторными маслами), вследствие чего для смазывания двигателей внутреннего сгорания оказались неприменимы.
В первых двигателях внутреннего сгорания для смазывания использовались различные материалы, от минеральных масел до растительных. Касторовое, или рициновое, масло в этой роли дожило до Первой мировой войны, в годы которой оно широко использовалось для смазки радиальных авиамоторов, а в СССР могло применяться и в конце 1920-х годов из-за дефицита нефтепродуктов; оно обеспечивало хорошую смазку благодаря высокой вязкости, но быстро засоряло двигатель нагарами и смолистыми отложениями, ввиду чего требовалась его очень частая — каждые 500…600 км — разборка для очистки. Со временем, однако, доминирующее положение окончательно заняло минеральное (нефтяное) масло, получаемое из нефти путём дистилляции по топливно-масляному варианту (масляный дистиллят нефти, получаемый вакуумной перегонкой мазута или смеси гудрона с мазутом).
Вплоть до 1930-х — 40-х годов моторные масла представляли собой чистое минеральное масло без каких-либо добавок (автол), аналогичное обычному машинному маслу, используемому для смазки станков. Качество масла определялось степенью его очистки — хорошо очищенные масла имели золотисто-медовый или янтарный оттенок и высокую прозрачность, они содержали меньше вредных для двигателя примесей и оставляли в нём меньше отложений. Изначально для очистки смазочных масел использовался известный ещё с середины XIX века кислотный метод, в ходе которого масло обрабатывалось концентрированной серной кислотой, расщеплявшей содержащиеся в нём непредельные углеводороды и азотистые основания, а затем остатки кислоты нейтрализовались щёлочью. При кислотно-контактной очистке масло после обработки кислотой подвергалось дополнительной обработке белой глиной, адсорбирующей высокомолекулярные асфальто-смолистые соединения, что давало более качественный продукт. С 1920-х — 30-х годов постепенно начинает получать распространения очистка масел селективными растворителями (фенольная, фурфурольная), которая позволяла получать масла ещё более высокого качества, в первую очередь — обладающие более высокой стабильностью.
Тем не менее, даже наиболее качественные масла тех лет при работе в мало-мальски форсированных моторах ввиду своей низкой термоокислительной стабильности быстро окислялись, особенно при работе в зоне поршневых колец, что вызывало накопление в двигателе высокотемпературных (лаки, нагары) и низкотемпературных (шламы) отложений, закоксовывание (пригорание) поршневых колец, а также коррозию постелей коренных подшипников коленчатого вала из-за накопления в масле образующихся при его окислении органических кислот. Накопление отложений, в свою очередь, приводило к снижению компрессии, ухудшению теплоотвода, повышению износа и целому ряду других негативных явлений. Само масло быстро старело из-за накопления в нём загрязнений и продуктов окисления и износа, причём загрязнения в его составе быстро слипались в крупные асфальто-смолистые частицы, резко затрудняющие фильтрацию. Поэтому интервалы между заменой масла в двигателе были очень малы — менее 1000 км пробега, а в авиации — несколько десятков часов. Систему смазки двигателей приходилось периодически промывать маловязким (веретённым) маслом, а сам двигатель — регулярно разбирать для удаления отложений в камере сгорания, на поршнях и в масляном картере. Особенно большие проблемы возникали при эксплуатации дизельных двигателей, в которых из-за более жёсткого теплового режима особо остро стояла проблема закоксовывания поршневых колец и потери компрессии, что в случае дизеля, в котором воспламенение рабочей смеси происходит за счёт её сжатия, приводило сначала к резкому ухудшению пусковых свойств, а затем и полной потере работоспособности. Конструктивные меры, вроде использования принудительного масляного охлаждения днищ поршней специальными форсунками, помогали мало.
Основной мерой борьбы с закоксовыванием колец и образованием отложений стало легирование масел присадками — введение в базовое масло специальных химических соединений для улучшения его свойств в периоды эксплуатации и хранения. Первые масла с присадками появились в начале — середине 1930-х годов и предназначались именно для дизельных моторов. Считается, что первую коммерческую присадку к моторному маслу выпустила в 1935 году компания Chevron под брендом Oronite, это была детергентная, или моющая, присадка на основе фосфонатов, препятствующая появлению отложений на поршневых кольцах дизельных двигателей, работающих в тяжёлых условиях (моющими свойствами моторного масла называется его способность сохранять чистоту поршня и поршневых колец, а не отмывать уже существующие отложения).
Впоследствии появились и другие типы присадок к смазочным маслам: противоокислительные, предотвращающие окисление масла; противоизносные и противозадирные, уменьшающие износ деталей двигателя, работающих без смазки под давлением, в условиях граничного трения, вроде кулачков распределительного вала и толкателей клапанов; противокоррозионные (ингибиторы), замедляющие коррозию вкладышей подшипников скольжения; противопенные, предотвращающие повышенное вспенивание масел, вызванное введением в него присадок; и другие.
Важнейшее значение имело также появление диспергирующих присадок (диспергентов), предотвращающих выпадение содержащихся в масле загрязнений в осадок и образование в нём крупных смолистых частиц, способных закупорить масляную магистраль или поры фильтрующего элемента, что позволило применить в системе смазки двигателя полнопоточный масляный фильтр, через который при каждом обороте проходило 100 % масла, содержащегося в системе. Это существенно улучшило его очистку и предотвратило накопление загрязнений в системе смазки, бывшее неизбежным при использовании неполнопоточных фильтров, с которыми до 90 % масла возвращалось в систему без очистки. В результате интервал между заменами масла в двигателе удалось увеличить в несколько раз — с 1…2 до 6…10 тыс. км пробега (при нормальных и лёгких условиях эксплуатации).
Присадки-депрессоры позволили создать зимние масла, сохраняющие текучесть при низких температурах, а полимерные модификаторы вязкости (VII) сделали возможными всесезонные моторные масла, сохраняющие свои свойства в широком диапазоне температур и сочетающие низкую температуру застывания с высокой высокотемпературной вязкостью.
Широкое распространение масел с присадками на Западе произошло после Второй мировой войны, что было связано в частности с широким распространением новых, более форсированных и быстроходных двигателей, рассчитанных на ставшие доступными в те же годы высокооктановые бензины и требовавших более совершенных смазочных материалов. Лучшие моторные масла конца сороковых годов (категории Heavy Duty, для тяжёлых условий работы в двигателе) содержали противоизносную, противоокислительную, моющую и диспергирующую присадки. Большинство двигателей, спроектированных в Западной Европе и Америке после середины пятидесятых годов, уже не могли работать на чистых минеральных маслах без присадок, или допускали работу на них лишь при очень благоприятных условиях эксплуатации.
В СССР выпуск масел с присадками (с буквой «п» в обозначении — например, АСп−5 с присадкой ЦИАТИМ-331, а также ряд специальных масел) был налажен в начале пятидесятых годов по ГОСТ 5303-50 «Масла автомобильные с присадкой. Технические условия». Широкое распространение они получили несколько позже, после появления массовых моторов, рассчитанных на современные смазочные материалы. Например, если для двигателей «Победы», «Волги» ГАЗ-21 и «Москвича-407» основным смазочным материалом всё ещё было простое машинное масло (масла с присадками указывались лишь как возможные аналоги), то для «Москвича-408» с более форсированным мотором производителем уже настоятельно рекомендовалось использование масла М8Б / АС-8 с присадкой, а машинного масла — только в крайнем случае, с предупреждением о возможности повышенного нагарообразования и закоксовывания поршневых колец при работе на нём.
Со временем вместо присадок, выполняющих какую-либо одну функцию, стали появляться присадки комплексные, или многофункциональные, по своему функционалу заменяющие сразу несколько обычных. Многофункциональные присадки могут представлять собой как смесь присадок, так и сложные органические соединения, способные выполнять сразу несколько функций за счёт наличия в их составе полярных функциональных групп, серы, фосфора, металлов. Например, разработанная в СССР присадка ВНИИ НП-360 (продукт взаимодействия алкилфенолята бария и диалкилфенилдитиофосфата цинка в соотношении 2,5:1,0) обладала одновременно антикоррозионными, антиокислительными, противоизносными, моющими (детергентными) и диспергирующими (разделяющими) свойствами; присадка ДФ-11 обладала противоизносным, моющим, противоокислительным и противокоррозийным действием; и так далее. В настоящее время практически все присадки к моторным маслам являются комплексными.
Наряду с положительным эффектом, появление масел с присадками поначалу принесло и немало проблем. Так, первые масла с присадками, в особенности — с моющими на основе фосфонатов, имели высокую зольность — до 3…4 %. В двигателях тех лет, ввиду особенностей конструкции и технологии производства допускавших большой расход масла «на угар», использование масел с присадками в некоторых случаях приводило к повышенному нагарообразованию из-за выгорания последних, в свою очередь ведущему к повышению износа цилиндро-поршневой группы, нарушению температурного режима камеры сгорания — вплоть до оплавления или прогорания поршней, и (в бензиновых двигателях) возникновению калильного зажигания. Из-за этого многие владельцы автомобилей в те годы даже избегали масел с присадками, предпочитая хорошо очищенные «обычные» масла (советское СУ / И-50, американское Regular / ML и аналогичные), почти не оставлявшие нагара. По той же самой причине очень долгое время избегали применения масел с присадками в авиации (там проблема окисления масла решалась его очень частой, после каждого вылета, заменой) и для двухтактных двигателей, в которых смазочное масло полностью сгорает вместе с топливом, ввиду чего должно обладать особой чистотой (отдельные производители двухтактных моторов до сих пор запрещают использование в них масел с присадками).
Некоторые присадки также оказывались коррозионно-активными по отношению к определённым материалам, использовавшимся в двигателях того времени — например, к некоторым сортам баббита (антифрикционного сплава на основе свинца), которым в те годы заливали постели подшипников коленчатого вала. Так, нафтенаты и стеараты металлов, являющиеся эффективными детергентами (моющими присадками), также обладали способностью повышать окисление масла и коррозионной активностью. В частности, присадка ЦИАТИМ-330 (НАКС) на основе нафтенатов кобальта, обладавшая высокими для своего времени моющими и антикоррозийными свойствами и использовавшаяся в ряде специальных масел для легковых автомобилей ЗИС, оказалась агрессивной по отношению к сплаву, использовавшемуся в подшипниках двигателей автомобилей «Москвич», в результате чего её использование в их двигателях было запрещено. Зачастую в составе комплексной присадки одни компоненты были необходимы для нейтрализации вреда от других.
Тем не менее, в целом применение присадок сыграло определённо положительную роль, позволив совершить резкий скачок в моторостроении за счёт внедрения в массовую эксплуатацию более эффективных и обладающих более высокими характеристиками форсированных двигателей, высокоборотных дизелей, и т. д., а также — резко упростить их обслуживание.
Так, при испытании моющей способности масла по способу ПЗВ (см. ниже) масла без присадок обычно дают лакообразование, оцениваемое в 5..6 и более баллов, что соответствует очень сильному покрытию поршня лаковыми отложениями, а хорошо очищенные масла — 3,5…4 балла. С моющей присадкой даже масла сравнительно низкого качества дают лакообразование не более 2…2,5 баллов, а хорошо очищенные (например, авиационное МК-22 с присадкам НАКС или Santilube-110) — 0,5…1 балл и менее, то есть, поршень остаётся практически чистым. При моторных испытаниях на двигателе ГАЗ-51 (тихоходном и малосклонном к образованию отложений), масло АС-9,5 (средневязкое селективной очистки без присадок) давало лакообразование в 3 балла, то же масло с добавлением моющей присадки — 2…2,5 балла, а с многофункциональной присадкой — не более 1 балла, при этом полностью сохранялась подвижность маслосъёмных колец.
В большинстве случаев на рынок поставляются не одиночные присадки, а готовые композиции, или пакеты, присадок (additive packages), состав которых гарантирует отсутствие антагонистического эффекта между отдельными составляющими пакета. Содержание присадок в товарном масле обычно составляет до 25 %. На маслосмесительные заводы присадки поставляются в виде раствора в минеральном масле с содержанием активного вещества порядка 50 % (в синтетических маслах большая часть присадок не растворяется, или растворяется плохо).
Как правило, примерно половину пакета присадок составляет диспергирующая присадка (диспергент), которая диспергирует содержащиеся в масле загрязнения, то есть, поддерживает их в дисперсном состоянии мелкой взвеси, не давая выпасть в осадок или слипнуться в крупные частицы, способные забить масляный фильтр. Это делает систему «масло — грязь» очень удобной для очистки, позволяя осуществлять её постоянную 100%-ю фильтрацию. Из второй половины примерно две трети составляет моющая присадка (детергент, ПАВ), предотвращающая появление отложений на деталях двигателя, и, в какой-то степени, удаляющая уже имеющиеся (но не твёрдые лаковые отложения и нагары). Эти присадки при работе масла в двигателе расходуются быстрее всего. Оставшиеся проценты делят между собой противоизносные, противоокислительные, притивопенные и прочие присадки.
К настоящему времени рынок присадок к моторным маслам практически полностью поделен между крупными транснациональными корпорациями — так, примерно 40 % моторных масел в мире готовятся на пакетах присадок компании Lubrizol, и ещё примерно столько же — компании Infineum. На остальных игроков (Chevron Oronite, ТСМ Afton Chemical, British Petroleum, ВНИИ НП, НПП «КВАЛИТЕТ» и другие) приходится менее 20 % рынка. Это привело к высокой степени стандартизации в данной области — по сути большинство современных моторных масел в рамках одной категории отличаются лишь использованным при их приготовлении базовым маслом и местом изготовления, в то время как пакеты присадок используются весьма схожие по составу или даже полностью идентичные. Только очень небольшое число компаний по всему миру предлагает действительно уникальные и инновационные продукты в данной области.
Первые применимые на практике синтетические моторные масла были созданы в Германии в годы Второй мировой войны для авиации и военной техники, это были масла на основе высокомолекулярных углеводородов — полиалкиленгликолей (PAG), получаемых в результате процесса Фишера — Тропша. Параллельно велись разработки синтетических масел на основе сложных эфиров для использования в реактивных авиационных двигателях. Примерно в те же годы синтетические моторные масла на основе PAG стали использоваться армией США для техники, работающей в арктических условиях.
В 1946 году National Carbide Company были представлены первые коммерческие синтетические моторные масла на основе PAG.
В 1966 году французская фирма Motul представила моторное масло Century 2100, содержащее синтетическое компоненты («полусинтетическое»), а в 1971 — полностью синтетическое моторное масло Century 300V.
В 1972 году Американский институт нефти (API) впервые официально одобрил синтетическое масло марки Amsoil, созданное на основе сложных эфиров (диэстеров). Однако масштабы его выпуска оставались очень скромными.
Интерес к синтетическим смазочным материалам резко подстегнул нефтяной кризис начала семидесятых годов. В 1974 году нефтяной гигант Mobil вывел на рынок синтетическое масло стандарта SAE 5W-20 на базе полиальфаолефинов (ПАО), созданное на основе опыта компании в области масел для реактивной авиации и получившее название Mobil 1. Тем не менее, из-за высокой цены и других проблем синтетические масла не получили широкого распространения вплоть до следующего десятилетия.
Так, самые первые моторные масла на основе ПАО при контакте с некоторыми типами эластомеров, используемых при производстве сальников, вызвали потерю ими эластичности и уменьшение в объёме, тем самым провоцируя течь масла из двигателя. Впоследствии производители учли этот недостаток и стали добавлять к базовому маслу на основе ПАО небольшое количество сложных эфиров либо алкилированных нафталинов, которые вызывали обратный эффект — «набухание» полимерных уплотнений, тем самым восстанавливая их качества и герметичность; учли проблему совместимости и производители самих сальников, массово внедрив использование фторкаучука. Не всегда удачным оказывался и подбор производителями синтетических масел используемых в них пакетов присадок.
Параллельно улучшается и технология подготовки традиционных минеральных моторных масел, в частности, получает распространение гидроочистка базовых масел, снижающая содержание в них сернистых соединений и прочих посторонних примесей, за счёт чего повышается химическая стойкость и снижается коррозионная активность.
В 1980 году Mobil представила синтетические масла Mobil 1 нового поколения стандартов SAE 5W-30 и 15W-50.
В начале девяностых годов синтетические моторные масла начинают появляться в линейках продукции компаний Chevron, Valvoline, Castrol, Texaco, Pennzoil и других. При производстве минеральных масел получает массовое распространение двухступенчатый гидрокрекинг.
К середине девяностых годов все ведущие производители смазочных материалов стали предлагать в своём ассортименте полностью синтетические моторные масла, и этот сегмент рынка продолжает активно расти вплоть до настоящего времени. Тем не менее, до сих пор большая часть моторных масел, используемых в мире, имеет минеральное происхождение, включая