17.01.2013
Моторные масла для четырехтактных двигателей. Фундаментальные принципы.

Среди смазочных материалов и функциональных жидкостей моторные масла занимают первое место как по техническим, так и по коммерческим критериям. Их доля на мировом рынке составляет более 60%.
   Несмотря на увеличение численности автомобилей, на данный момент потребление моторных масел в Европе остановилось на определенном уровне и в обозримом будущем несколько снизится. Зато потенциал роста потребления в Юго-Восточной Азии и в развивающихся странах (Китае, Индии, Корее и др.) значителен.

Общий обзор

Исторически сложилось, что разработки в области моторных масел за последние 50 лет концентрировались на спецификациях, опубликованных международной автомобильной промышленностью. Первые спецификации были опубликованы министерством обороны США («MIL specs»). На сегодня имеется уже три международно признанных набора минимальных требований. В Европе это АСЕА, в США — API, а в Азии — ILSAC.
   Все эти спецификации отражают последовательную адаптацию качества масел к разрабатываемым конструкциям двигателей. В 50-е гг. на рынке моторных масел доминировали сезонные масла. Из их названия понятно, что вязкость этих масел подбирали под температуру окружающей среды, и поэтому летом и зимой использовались разные масла. В 60-х гг. появились всесезонные масла на базе минеральных масел, т. е. пригодные к применению как летом, так и зимой. Первоначально это были высоковязкие классы (SAE 20W-50), а позднее появился стандарт 15W-40, который используется и сейчас. Со временем были разработаны дистиллятные базовые масла и процессы очистки, позволившие получить соединения с другими значениями вязкости и удовлетворяющие новым требованиям. Это привело к созданию масел со сравнительно низкими потерями на испарение и оптимизированной низкотемпературной текучестью. Полусинтетические, а в последние годы и полностью синтетические масла доминировали на рынке масел премиального качества, особенно в секторе легковых автомобилей. В недавнем прошлом на рынке немецкоязычных стран появилась ниша для экологически чистых биологически разлагаемых продуктов.

Фундаментальные принципы

Моторные масла обязаны выполнять широкий спектр функций в двигателях. Чисто трибологическая задача заключается в гарантии надежности всех точек трения при любых условиях эксплуатации (рис. 1). Наряду с классической трибологической задачей, моторные масла должны выполнять ряд дополнительных функций — начиная от уплотнения цилиндра и заканчивая транспортом шлама, сажи и продуктов износа на масляный фильтр.

С точки зрения трибологических функций моторные масла должны удовлетворять трем стадиям графика Штрибека: начиная с гидродинамической полной смазки и заканчивая эластогидродинамической (ЭГД) в области подшипников до граничного трения при верхней и нижней мертвых точках. В системах турбонаддува, вращающихся со скоростью до 200 тыс. об/мин с микронными допусками, скорости трения скольжения могут находиться в диапазоне от простых возвратно-поступательных движений поршня в цилиндре до экстремальных вращательных движений в плавающих игольчатых роликовых подшипниках. Диапазон температур: от окружающей среды в Арктике (—40 °С) до температур в картере (100 °С), и даже при пиковых значениях — выше 300 °С под днищем поршня.
   В процессе сгорания моторное масло помогает уплотнять поршень в цилиндре. В то же время оно должно сгореть, не оставляя никаких остатков на стенках цилиндра. Что касается самого поршня, то на нем моторное масло рассеивает тепло и таким образом охлаждает его. Газы, образующиеся при сгорании топлива, и побочные продукты их реакции должны быть нейтрализованы и удерживаться в суспензии. Это же относится к частицам сажи и шлама, образующимся вследствие неполного сгорания. Масло также транспортирует грязь и любые частицы износа на масляный фильтр. Кроме того, масло защищает двигатель от коррозии, так как эмульгирует любую воду, образовавшуюся в процессе сгорания, даже при высоких концентрациях и разделении фаз при снижении температуры.
   Моторные масла снижают трение и износ при запусках двигателя при экстремально низких температурах, а также тогда, когда смазочная пленка подвергается воздействию высоких температур и давлений в подшипниках и вокруг поршневых колец. Если масло должно сохранять текучесть и оставаться прокачиваемым без аэрации при низких температурах (до —40 °С) во избежание контакта типа металл-металл при холодных запусках двигателя, то смазочная пленка должна удовлетворять предъявляемым к ней требованиям в подшипниках и на гидравлических толкателях. При низких температурах присадки не должны выпадать в осадок и масло не должно превращаться в гель. На верхнем пределе температурной шкалы масло должно обладать высокой стойкостью к термическому и механическому старению. И, наконец, стабильность смазочной пленки не должна снижаться при разбавлении топливом вплоть до 10%.

Классы вязкости

Вязкость является показателем готовности моторного масла к образованию несущей пленки во всех точках двигателя, нуждающихся в смазке. Вязкость является функцией температуры — как потенциальной окружающей, так и рабочей. На малых скоростях холодного проворачивания коленчатого вала низкая вязкость обеспечивает нужную циркуляцию при низких температурах. С другой стороны, вязкость не должна слишком снижаться при высоких температурах, так как обеспечение стабильности смазочной пленки при высоких термических нагрузках очень важно.
   Поскольку эти требования не могут быть удовлетворительно описаны только одним методом испытания вязкости, SAE и ASTM были установлены предельные значения, приведенные в табл. 1.

Таблица 1.  Классификация моторных масел по вязкости  SAE J300.   Класс вязкости по SAE Вязкость при низкотемпературном проворачивании коленчатого вала (мПа·с) при темп., °С (CGS) Вязкость при низкотемпературном прокачивании (мПа·с) при темп., °С (MRV) Кинематическая вязкость при 100 °С при малых скоростях сдвига (мм2 · С-1) Вязкость при 150 °С при высоких скоростях сдвига и 106с-1 Максимум Максимум Максимум Максимум Максимум 0W 6200 при -35 60 000 при -45 3,8 — — 5W 6600 при -30 60 000 при -35 3,8 — — 10W 7000 при -25 60 000 при -30 4,1 — — 15W 7000 при -25 60 000 при -25 5,6 — — 20W 9500 при -15 60 000 при -20 5,6 — — 25W 13 000 при -10 60 000 при -15 9,3 — — 20 — — 5,6 < 9,3 2,6 30 — — 9,3 < 12,5 2,9 40 — — 12,5 < 16,3 2,9* 40 — — 12,5 < 16,3 3,7** 50 — — 16,3 < 21,9 3,7 60 — — 21,9 < 26,1 3,7      * Для 0W,  5W,  10W    ** Для 15W, 20W, 25W и сезонных.

   В соответствии с этим перечнем, все классы вязкости масла могут быть описаны их минимальной кинематической вязкостью при 100 °С. Дополнительные пороговые значения динамической вязкости относятся к маслам, предназначенным для зимней эксплуатации, обозначенным буквой W. Эти значения определяются в имитаторах холодного прокручивания коленчатого вала (CCS) или в миниротационных вискозиметрах (MRV). Значения динамической вязкости, полученные методом CCS. являются критерием низкотемпературной текучести, причем высокая скорость сдвига может замаскировать кристаллизацию парафина. В MRV так называемую пороговую вязкость — макс. 60 000 мПа·с — определяют при температуре на 10 °С ниже — для гарантии того, что масляный насос не засасывает воздух.
   Высокотемпературная вязкость при высоких скоростях сдвига является дополнительным критерием оценки стабильности смазочной пленки в летних сортах масел. В принципе, моно- или всесезонные масла можно применять в зависимости от климата. Как отмечалось раньше, современные моторные масла — это всесезонные масла, низкотемпературные характеристики которых обозначены буквой W. В Центральной Европе 90% рынка моторных масел составляют всесезонные масла. Графическое описание вязкостно-температурных характеристик всесезонных масел схематически представлено на рис. 2.

Производители автомобилей предусматривают применение в своих двигателях моторных масел с классом вязкости, соответствующим климату, посредством общих описаний и/или посредством допуска конкретных продуктов. На рис. 3 в качестве примера показаны рекомендации автомобилестроительной компании BMW.

Спецификации на эксплуатационные характеристики

В связи с тем что требования к эксплуатационным характеристикам моторных масел постоянно ужесточаются, ведущие автомобилестроительные компании рассматривают смазочные масла как конструктивные элементы двигателя и принимают требования к их качеству. В результате этого произошел качественный сдвиг на рынке моторных масел с отходом от обычных продуктов в сторону полусинтетических и синтетических композиций. Наряду с удорожанием, возросли также экономические и экологические требования к этим маслам.
Эти требования включают в себя:
   • более продолжительный срок службы, несмотря на более высокие термические и механические нагрузки;
   • улучшенные характеристики по выбросам в атмосферу благодаря снижению расхода топлива;
   • cнижение выбросов твердых частиц, обусловленных маслами;
   • улучшение противоизносных свойств даже в жестких условиях эксплуатации.
Моторные масла должны обладать топливосберегающим потенциалом и продолжительным сроком службы. В настоящее время сроки смены масла для легковых автомобилей находятся в пределах от 10 000 до 50 000 км пробега, а для грузовых автомобилей — от 30 000 до 100 000 км пробега. В будущем эти цифры должны возрасти. Ретроспективный анализ говорит о том, что на протяжении последних 50 лет этот показатель увеличивался. Как показано на рис. 4, расход масла на единицу энергии за этот период снизился в восемь раз.