Физико-химические характеристики моторных масел

Введение

Все моторные масла служат одной и той же цели — они смазывают движущиеся части моторного отсека, предотвращают износ, задиры, коррозию и обеспечивают отвод тепла. Однако, каждый двигатель сконструирован по-своему и требует определенных характеристик масла.

Эти характеристики можно разделить на три группы из содержания ⇧

Cвойства, преимущественно отражающие состав базового масла

Плотность (ρ) – этот показатель свойства масла имеет низкую чувствительность и информативность, поэтому использовать ее в качестве диагностического параметра нецелесообразно. Плотность моторных масел обычно находиться в пределах ~ 0.8-0.9 кг/м3.

Вязкость – все вязкостные характеристики стандартизирует SAE.

Динамическая вязкость (ƞ) - её удобно использовать для анализа масел в области пониженных температур.

Кинематическая вязкость (ν) - в практическом плане она может сказать о том, насколько легко способно течь данное вещество. Обычно для моторных масел кинематическая вязкость измеряется при 40℃ и 100℃. Качественное масло имеет высокую текучесть при низкой температуре и более высокую вязкость при рабочей температуре двигателя.

Индекс вязкости – крайне важный параметр для всесезонных масел, так как данные масла должны иметь низкую вязкость при низких температурах и повышенную вязкость при высоких. Данный эффект достигается введением в базовую основу специальных присадок: полимерных загустителей.

Вязкостные параметры для каждого двигателя устанавливает классификация SAE. Например, для масел SAE 5W-30 кинематическая вязкость при 100℃ должна быть в пределах от 9.3 сСт до 12.5 сСт. Для класса вязкости SAE 5W-40 это 12.5 – 16.3 сСт. В отработанном масле, выход масла за пределы своего класса вязкости, некоторыми автопроизводителями считается показателем к замене масла. Например, система контроля смазочных материалов компании Shell – Shell Lube Analyst трактует изменение вязкости в отработке так: если вязкость масла, например, SAE 5W-30 ниже значения 9.3 сСт или более 12.5 сСт – оно рекомендуется к смене.

У вас мог возникнуть вопрос: а что будет, если залить масло не своей вязкостной спецификации в двигатель?

• Превышение вязкости выше рекомендованной ведёт за собой увеличенный нагрев двигателя. Если вязкость превышена незначительно, то система охлаждения способна справляться самостоятельно. Однако даже в этом режиме, превышенная температура способна ускорять износ деталей и сокращать срок службы двигателя. В случае если вязкость ниже рекомендуемой, масленая плёнка может оказаться слишком тонкой для обеспечения необходимой смазки, что также приводит к ускоренному износу деталей.

Температура вспышки – у хороших масел температура вспышки, как правило, выше 225 °С. Допускается снижение температуры вспышки не более чем на 20ºС относительно свежего образца, что соответствует попаданию ≈ 0,8% топлива в масло.

Температура застывания – температура, при которой масло теряет подвижность. Эксплуатационный предел применения масла при низкой температуре следует устанавливать на 8-10 градусов выше температуры замерзания.

Испаряемость по Noack – испаряемость по NOACK во многих стандартах ограничены. Например, в ACEA A3/B4 — NOACK должен быть меньше 13%.

Выше были перечислены основные свойства, на которые преимущественно влияет базовое масло. Конечно, их намного больше, например, коксуемость, содержание воды, йодное число, склонность к пенообразованию, и т.д. Однако, ими можно пренебречь, поскольку в подавляющем большинстве случаев, если кинематическая вязкость, температуры вспышки и застывания, расход на угар соответствуют норме, то и эти параметры тоже.

Cвойства, обеспеченные составом присадок

Сульфатная зольность:

По процентному содержанию зольности масла делят на 3 группы:

• Полнозольные (Full SAPS), ACEA А1/В1, A3/В4, А5/В5 > 1%
• Среднезольные (Mid SAPS), ACEA C2 и C3 0.5 – 1%
• Малозольные (Low SAPS), ACEA C1 и C4 < 0.5%

Высокозольное масло подойдёт для двигателей без катализатора и сажевого фильтра. Для двигателей с катализатором необходимо использовать среднезольное. Для двигателей с сажевым фильтром и катализатором, а также для автомобилей на газовом топливе предпочтительно использование малозольных масел.

Однако не все присадки образуют золу, существует обширный класс органических присадок, которые тяжелее идентифицировать, чем металлсодержащие. Ниже представлены основные типы присадок и их роль.

Щелочное число – в ходе эксплуатации автомобиля содержание кислот в масле повышается, а щелочное число падает, что связано с повышением коррозионной активности и ухудшением моющих и вязкостных свойств. Производители техники обычно допускают снижение щелочного числа не более чем на 50%, устанавливая определенный запас свойств.

Говоря о том, что щелочное число не должно падать ниже 50%, мы имеем в виду, что кислотное число не должно превышать щелочное, так как щелочное и кислотное число – обратные величины. То есть их зависимость от времени работы двигателя должна выглядеть так:

Если мы говорим, что щелочное число сработалась на 25% от исходного, то справедливо будет утверждение, что кислотное повысилось на 25%. Однако, данное правило выполняется только для идеальных систем. В реальных моторных маслах качество и тип присадок, а также базовой основы, условий работы и т.д. способны вносить погрешности. В итоге, наблюдаемая зависимость искажается, например, как на рисунке ниже:

Часто щелочные присадки отрабатываются не линейно, а по экспоненциальной кривой (как на рисунке ниже):

Очевидно, что в данном случае TAN превышает TBN, после сработки последнего примерно на 70-75%. В целом, это нормальная картина для качественных моторных масел. Однако, отработка в 50% щелочного числа остаётся удобным показателем для большинства лабораторий и производителей, так как в случае качественного масла этот показатель оставляет небольшой запас свойств, а в случае некачественного (где щелочное число падает линейно) является оптимальным.

Тем не менее, наши клиенты будут честно проинформированы о теоретическом сроке службы масла, при котором щелочное число сработается на 50% и о теоретическом сроке службы масла, при котором кислотное число станет выше щелочного. Таким образом мы предлагаем две точки, на которые можно ориентироваться для замены масла. Окончательный выбор останется за клиентом.

Cвойства масла, анализируемые после его отработки

Для заключения вывода о качестве масла недостаточно использовать одни лишь характеристики свежего масла. Необходимо провести испытания и оценить степень потери его свойств после отработки. Здесь мы сталкиваемся с такими важными параметрами как:

Кислотное число (TAN) – количество миллиграмм гидроксида калия (KOH), необходимое для нейтрализации всех кислых компонентов, содержащихся в 1 г исследуемого образца. Как уже говорилось выше, кислотное число для моторного масла после отработки не должно превышать щелочное число.

Окисление – степень окисления моторных масел. Окисление разрушает химическую структуру как базового масла, так и присадок, поэтому при окислении ухудшаются все параметры моторного масла. Степень окисления после отработки моторного масла постулируют стандарты ACEA. Хорошие моторные масла имеют высокую окислительную стабильность и удерживают свои свойства на протяжении всего срока эксплуатации. Однако, к сожалению, не все моторные масла способны похвастаться хорошей противоокислительной способностью. Больший вклад в степень окисления вносит базовое масло. Как правило, синтетические базовые масла стабильнее, чем минеральные или полусинтетические.

Вместе с окислением часто говорят о нитровании и сульфатировании – это также окислительные процессы, разрушающие структуру масла, однако, как правило, их влияние слишком низко для заметного ухудшения свойств.

Также вы можете самостоятельно ознакомиться с числовыми параметрами допусков SAE и ACEA моторных масел.