Никакая другая жидкость так сильно не влияет на работу двигателя и срок его службы, как моторное масло. Кроме основной функции – смазки двигателя – оно выполняет и ряд других. Однако все те преимущества, которые дает моторное масло, ничего не значат, если оно не циркулирует по всему двигателю, обеспечивая необходимую для его работы смазку.
Базовое масло является средой-носителем специальных присадок – так называются различные добавки, вводимые в основу для того, чтобы она нормально функционировала, а также в целях повышения качества масла и его эксплуатационных свойств. При современном уровне развития двигателестроения использование масла без присадок практически невозможно. Другими словами, невозможно создание масел, которые обеспечили бы эффективную защиту двигателя и одновременно не разрушались (не старели) в течение длительного времени.
Все современные моторные масла содержат в своем составе пакет (набор) присадок, содержание которых может быть более 20 %.
На сегодняшний день в моторных маслах обычно используют несколько типов присадок:
- Вязкостно-загущающие
- Моющие (детергенты)
- Диспергирующие (дисперсанты)
- Противоизносные
- Антипенные
- Депрессорные
- Ингибиторы окисления (антиокислительные присадки)
- Ингибиторы коррозии и ржавления
- Модификаторы трения
Вязкостно-загущающие присадки используются для придания маслу хороших вязкостно-температурных свойств. Для этого в него вводят высокомолекулярные полимеры – полиизобутилены, полиметакрилаты и др. Механизм их действия основан на изменении формы макромолекул полимеров в зависимости от температуры. В холодном состоянии эти молекулы, будучи свернутыми в спирали, не влияют на вязкость масла, при нагреве же они распрямляются, и масло густеет. Масла, в состав которых входят вязкостные присадки (до 10 %), называют загущенными – это зимние и всесезонные сорта.
В России пока еще производится большое количество сезонных масел (в основном, из-за их низкой стоимости), например, М8ДМ, М8В (SAE 20), М10Г2к, М10ДМ (SAE 30). Их качество можно существенно улучшить с помощью присадки нового поколения Molykote A Dispersion.
Ее можно вводить в масла различной вязкости. Дисперсия подходит для всех бензиновых и дизельных двигателей.
Тем не менее ведущие производители сегодня выпускают, в основном, всесезонные масла, применение которых позволяет эксплуатировать технику в широком температурном диапазоне, не прибегая к сезонным заменам масла.
Способ получения всесезонных масел достаточно прост. Благодаря введению в состав зимних масел полимерных вязкостно-загущающих присадок удается повысить их кинематическую вязкость при высоких (рабочих) температурах двигателя (т.е.компенсировать недостаток, присущий зимним маслам) и обеспечить вязкостные свойства летних масел. Таким образом, с помощью присадок фактически повышается индекс вязкости масла.
При низких температурах молекула полимера уменьшается в объеме, таким образом, никакого влияния на кинематическую вязкость масла она не оказывает. При повышении температуры молекула полимера начинает увеличиваться, способствуя тому, что вязкость масла снижается в меньшей степени, чем это было бы без такой присадки.
В парах трения двигателя масло подвергается высоким сдвиговым нагрузкам, в результате которых происходит разрушение загустителей. Это приводит к потере вязкости моторного масла и ухудшению его смазывающей функции (уменьшению толщины смазывающей пленки). Продукты деструкции загустителей являются потенциальным источником нагаров и лаковых отложений в двигателе.
Моющие присадки необходимы для предотвращения образования лаковых и сажевых отложений на деталях двигателя. Как правило, они состоят из детергирующих компонентов, которые вымывают продукты окисления масла и износа деталей, вынося их к фильтру, и диспергирующих компонентов, способствующих дроблению крупных частиц нагара на мелкие (не больше микрона).
Диспергирующие добавки удерживают грязь в мелкодисперсном состоянии, не дают ей слипнуться в большие комки и пригореть к металлу. Результат работы моющих присадок можно наблюдать почти сразу после замены старого масла на новое. Иногда присадки-детергенты выполняют несколько функций, самая важная из которых – поддержание чистоты деталей двигателя.
Детергенты. Как правило, используется несколько типов детергентов: сульфонаты, сульфофенаты и алкилсалицилаты. Могут использоваться как отдельные типы таких присадок, так и их комбинации. Принцип действия этих присадок в двигателе такой же, как у бытовых моющих средств. Кроме этого, детергенты обладают щелочными свойствами, т.е. способны нейтрализовывать кислоты, образующиеся при сгорании серы (в топливе, особенно дизельном) и при окислении самого масла.
Путем нейтрализации кислых продуктов эффективно предотвращается коррозия деталей двигателя. Запас нейтрализующих свойств моторного масла называется щелочным числом. Оно измеряется в мгКОН/г масла (мг гидроокиси калия на г масла). Щелочное число может изменяться в широких пределах: от 5 мгКОН/г (для газовых двигателей, где содержание серы в газе близко к нулю) до 100 мгКОН/г (для судовых двигателей, работающих на мазуте с содержанием серы выше 3.5%).
Обычно моторные масла для автомобильных двигателей имеют значение щелочного числа в диапазоне 5…20 мгКОН/г. Значение щелочного числа не указывается на этикетке канистры масла, при необходимости его можно узнать у представителей компании-производителя.
Очень важно помнить, что в реальных условиях применения масла практическое значение имеет не начальное значение щелочного числа, а скорость его падения, т.е. ухудшения нейтрализующих свойств масла. Именно изменение щелочного числа (обычно на 50 %) является одним из параметров, который производители техники используют для определения срока замены масла.
Скорость падения щелочного числа зависит, прежде всего, от типа используемого детергента. Наилучшими показателями обладают алкилсалицилатные присадки.
Обеспечить наилучшую стабильность и эффективность моющих свойств масел позволяют алкилсалицилатные присадки. Лидером в области их разработки и применения является компания Shell. Продукция этой фирмы производится по уникальной салицилатной технологии, что позволяет потребителям масел Shell не иметь проблем с чистотой двигателя.
Диспергирующие присадки (дисперсанты) поддерживают крупные загрязнения, содержащиеся в масле, в растворенном состоянии, тем самым предотвращая их отложение на деталях двигателя и масляных каналах. По структуре диспергирующие присадки похожи на моющие, за исключением того, что они не содержат металла и поэтому являются беззольными. Диспергирующими свойствами также могут обладать моющие присадки. В процессе работы в двигателе диспергирующая способность масла снижается.
Противоизносные присадки предотвращают изнашивание трущихся деталей двигателя в местах, где невозможно образование масляной пленки необходимой толщины. Механизм их действия заключается в создании защитной пленки на поверхностях трения, что предотвращает изнашивание самого металла. Противоизносные и противозадирные присадки содержат хлор, фосфор и серу и могут составлять до 2 % объема масла.
Ингибиторы окисления (антиокислительные присадки). В процессе работы масло в двигателе постоянно подвергается воздействию высоких температур, кислорода и азота, что вызывает его окисление и ведет к появлению отложений, лаковых образований, разрушению присадок и загущению самого масла. Именно с этими негативными последствиями призваны бороться антиокислительные присадки. Принцип их действия заключается в химической реакции с продуктами, вызывающими окисление масла. Как правило, в качестве антиокислительных присадок используются осерненные эфиры, сульфиды фенатов, ароматические амины, замещенные фенолы и диалкилдитиофосфаты цинка, которые также выполняют роль противоизносных присадок.
Противоокислительные присадки замедляют окисление масел и следующее за ним неизбежное образование коррозионно-активных осадков.
Антиокислительные присадки делятся на присадки-ингибиторы, работающие в общем объеме масла, и термоокислительные присадки, выполняющие свои функции в рабочем слое на нагретых поверхностях. Их содержание в масле – до 3 %.
Ингибиторы коррозии и ржавления призваны защищать поверхности деталей двигателя от коррозии, вызываемой органическими и минеральными кислотами, образующимися при окислении масла и присадок. Механизм их действия состоит в образовании защитной пленки на поверхности деталей и нейтрализация кислот.
Противокоррозионные присадки (до 1 %) часто путают с противоокислительными. Однако последние, как указано выше, защищают от окисления само масло, а противокоррозионные – поверхности металлических деталей. Они способствуют образованию на металле прочной масляной пленки, предохраняющей его от контакта с всегда присутствующими в объеме масла кислотами и водой.
Антипенные присадки. При сильном перемешивании масла с воздухом (наблюдается при работе двигателя, когда коленвал интенсивно взбалтывает масло в картере) возможно повышенное образование пены. Этому процессу также способствуют различные загрязнения, присутствующие в масле. Формирование пены значительно ухудшает эффективность смазывания деталей двигателя, что может привести к их повышенному износу и ухудшению теплоотвода.
Антипенные присадки предотвращают вспенивание масла путем снижения поверхностного натяжения на разделе фаз «масло-воздух». Противопенные присадки (обычно это силиконы или полилоксаны) не растворяются в моторных маслах, а присутствуют в виде мельчайших капелек. Их действие основано на разрушении пузырьков воздуха.
Обойтись без этих присадок практически невозможно, однако их присутствие не должно превышать тысячных долей процента, так как при термическом разложении силикона образуется оксид кремния, который является сильным абразивом.
Модификаторы трения. Для современных двигателей все чаще стараются использовать масла с модификаторами трения, позволяющими снизить коэффициент трения между деталями. Наиболее известные модификаторы трения – графит и дисульфид молибдена. В масле они не растворяются, а диспергируются в виде мельчайших частиц, поэтому их использование достаточно проблематично – вместе с ними требуется вводить в масло дополнительные дисперсанты и стабилизаторы дисперсии. Поэтому в настоящее время в качестве модификаторов трения обычно используют маслорастворимые эфиры жирных кислот: они очень хорошо прилипают к металлическим поверхностям и формируют на них слой молекул, снижающих трение.
Депрессорные присадки. При сильном понижении температуры масла в нем начинают образовываться кристаллы парафинов, которые, срастаясь, образуют пространственный каркас, что ведет к потере подвижности масла (оно становится похожим на желе). В результате ухудшается низкотемпературный пуск двигателя и прокачиваемость масла по каналам. В процессе производства базовых масел часть парафинов удаляют, но полностью сделать это по технологическим и экономическим причинам невозможно (сильно возрастают затраты на получение базового масла). Обычно минеральное базовое масло имеет температуру застывания около -15 °С.
Возможность получения минеральных моторных масел с температурами застывания -30 °С …-35 °С достигается путем введения в масло депрессорных присадок. Эти присадки предотвращают срастание кристаллов парафина, но не предотвращают их появление вообще.
Все присадки, входящие в состав моторного масла, имеют четкое соотношение компонентов, сбалансированы и проверены на совместимость. Именно по этой причине большинство производителей техники и смазочных материалов категорически запрещают вводить дополнительные присадки в масла. Разработка нового пакета присадок зачастую занимает не один год, а стоимость этого мероприятия может составлять несколько миллионов долларов.
Пакеты присадок смешивают с базовыми маслами по четко прописанной рецептуре. Как и лекарства, присадки могут давать побочные эффекты, некоторые из них сильно влияют друг на друга (вплоть до взаимоуничтожения), поэтому их подбор – дело очень серьезное и ответственное. Все большее применение находят многофункциональные, или комплексные присадки, такие как дисперсия Molykote A. Она удачно сочетает в себе свойства противоизносных, противоокислительных, противокоррозионных и моющих присадок.