3. Присадки к моторному маслу

Современные двигатели - это чрезвычайно сложные механизмы, состоящие из различных агрегатов и узлов, которые в разной степени подвергаются действию агрессивных продуктов сгорания топлива, высоких температур, скоростей, давлений и т. д. В двигателе внутреннего сгорания не один десяток поверхностей трения нуждается в смазочном масле, роль и требования к качеству которого возрастают по мере совершенствования конструкций.

За последние годы значительно изменились параметры современных двигателей. Так, на 45% увеличилась литровая мощность, примерно на 18—20% повысились скорость и среднее эффективное давление, причем эти изменения произошли при уменьшении литрового веса (32-35%). Предусмотрено дальнейшее повышение литровой мощности и снижение металлоемкости. Повышение экономичности и эффективности, снижение затрат металла на единицу мощности возможны только за счет дальнейшего форсирования двигателей, т. е. еще будут увеличены среднее эффективное давление, степень сжатия, частота вращения, предполагается более широко использовать наддув. Все это повышает теплонапряженность деталей двигателя и ужесточает требования к качеству смазочных масел.

Если раньше качество масла улучшали подбором сырья, технологии его переработки, совершенствованием способов очистки, то для существующих и перспективных двигателей только этими приемами нельзя получить нужных качеств масел. Масла, эксплуатационные свойства которых отвечают современным требованиям, получают легированием их специальными присадками.

Присадки — это сложные соединения, которые добавляют к смазочным маслам для улучшения их эксплуатационных качеств. В зависимости от вида присадки, выполняемых ею функций и условий работы масла присадки добавляют в разных количествах — от сотых долей до нескольких десятков процентов. Роль присадок к смазочным маслам за последние годы настолько возросла, что теперь моторные масла без присадок не вырабатывают.

Многие научно-исследовательские институты работают над синтезом новых, более эффективных присадок. Но неправильно думать, что любое масло может стать хорошим после добавления присадки. Присадки могут только улучшить, усилить свойства хорошо очищенных, высококачественных масел.

Присадки – химические соединения, вводимые в масло для обеспечения соответствия качества масла выдвигаемым требованиям. Практически все товарные масла содержат присадки, содержание которых в компаундированном масле достигают до 20 %. Присадки и их пакеты поставляются на смесительные заводы в виде раствора присадки в масле (до 50 % активных веществ). В рецептурах указывается не содержание чистой присадки, а количество его раствора. Поэтому указание о наличии в масле 20 % присадок еще не указывает количество активных веществ. При анализе товарных масел определяется содержание активных элементов присадок.

Присадки бывают узкого назначения и многофункциональные. Обычно применяются композиции присадок – пакеты. Разработка присадок представляет собой сложный и трудоемкий процесс, требующий большого научно-технического потенциала. Производством эффективных пакетов присадок доступно только крупным нефтеперерабатывающим («Shell», «Paramins-Exxon») и химическим компаниям («Lubrizol», «Ethyl», «BaSF» и др.)

Присадки группируют по свойствам:

• улучшающие вязкостные свойства (модификаторы индекса вязкости, депрессорные присадки);

• уменьшающие износ деталей (противоизносные, смазывающие, повышающие липкость, модификаторы трения, расклинивающие, антикоррозионные);

• уменьшающие расход масла или увеличивающие его ресурс работы (антиокислительные);

• улучшающие другие свойства масла (моющие, противопенные и др.).

Для улучшения низкотемпературных свойств масла применяются присадки – депрессанты. Это полимерные вещества: полиалкилметакрилаты, полиалкилакрилаты, которые понижают температуру застывания масла и одновременно подавляют кристаллизацию парафинов.

По целевому (функциональному) назначению различают присадки:

- моющие (их добавляют в количестве 3—20 %);

- противозадирные (5—10 %);

- вязкостные (0,5—10 %);

- антиокислительные:

а) термоокислительные (0,5—3 %);

б) ингибиторы (0,005—0,5 %);

- противоизносные (0,1—2 %);

- депрессорные (0,1—1 %);

- антикоррозионные (0,1—1 %);

- антипенные (0,0001—0,003 %).

Многие из современных присадок, являясь целевыми, улучшают одновременно несколько функций масла, связанных с основной направленностью действия присадки. Например, антиокислительные присадки, замедляя процессы окислительной полимеризации масел, одновременно улучшают противокоррозионные и противоизносные их свойства.

Присадки открывают огромные возможности перед разработчиками моторных масел. Особое значение присадки начинают приобретать не только для улучшения основных свойств нефтяных моторных и других масел, но и для придания требуемых показателей качества синтетическим маслам, которые постепенно приходят на смену смазочным материалам, полученным на базе нефтяного сырья. Синтезированные, с заранее заданными свойствами присадки, которые уже сейчас составляют почти 1/4 массы масла, станут необходимыми компонентами принципиально новых синтетических смазочных материалов.

Кроме того, широко применяются следующие виды современных эффективных присадок.

Противоизносные и антифрикционные присадки по принципу действия делят на три группы:

• противоизносные присадки, увеличивающие липкость и смазываемость;

• противозадирные присадки (присадки ЕР);

• твердые противоизносные и противозадирные присадки. Противоизносные присадки, увеличивающие липкость и смазываемость образуют на поверхности трения адсорбированную пленку масла, которая защищает от износа при предельном смазывании. Это жирные спирты, амиды, сложные эфиры, соединения фосфора и др., которые образуют химическую связь между активным соединением и поверхностью металла. Такие присадки называются модификаторами трения. Они применяются для изготовления энергосберегающего масла на основе маловязкого масла, которое снижает коэффициент трения и соответственно сокращает расход топлива.

Противозадирные ЕР присадки (ЕР–extreme pressure additives) вводятся для предотвращения сваривания, заедания и слипания деталей. Присадки ЕР включают соединения серы, фосфора, хлора, которые от высокой температуры (выше 150–190 °С) разлагаются с выделением активных элементов, которые реагируют с металлом и образуют сульфидную, фосфидную, хлоридную хемисорбированную пленку, защищающую поверхность трения от износа в условиях большой нагрузки и высокой температуры. Противозадирные присадки необходимы для повышения несущей способности трансмиссионных масел и пластичных смазок. Количество и эффективность противозадирных присадок является за рубежом признаком классификации трансмиссионных масел. Чем выше категория качества, тем больше концентрация присадки.

Твердые противозадирные присадки представляют собой порошок дисульфида молибдена или графита, которые взаимодействуют с поверхностью металла, образуя защитную пленку с более высокой критической температурой разрушения, чем другие антифрикционные присадки. Эта пленка уменьшает износ и повышает несущую способность масла за счет легкого скольжения слоистой присадки. Зарубежные масла, содержащие дисульфид молибдена в качестве противозадирной присадки, в своих названиях часто имеют приставку «Moly».

Антикоррозионные присадки подавляют коррозию металла и одновременно выполняют функцию противоизносных присадок, так как коррозия увеличивает износ. Механизм действия антикоррозионных присадок:

• нейтрализуют кислоты, образующиеся при окислении масла или сгорании топлива, для чего обладают щелочными (основными) свойствами;

• образуют защитную адсорбционую или хемосорбционную пленку, препятствующую взаимодействию кислых веществ с поверхностью металла;

• связывают воду, которая вызывает высокую коррозию металла.

Присадки против ржавления защищают стальные или чугунные стенки цилиндров, поршней и поршневые кольца от ржавления при воздействии водного раствора кислот. Механизм защиты – образование сильно адсорбированной защитной пленки, предохраняющей поверхность металла от непосредственного контакта с водным раствором кислоты. Для этой цели применяются аминосукцинаты и сульфонаты щелочных металлов.

Ингибиторы коррозии защищают поверхность вкладышей подшипников и других деталей из цветных металлов от коррозии и коррозионного износа, вызываемых органическими кислотами. Механизм действия–образование защитной пленки и нейтрализация кислот. В качестве ингибиторов коррозии применяются дитиофосфат цинка, соединения серы и фосфора.

Антиокислительные присадки или ингибиторы окисления подавляют окисление масла в начальной ее стадии путем реакции с первичными продуктами окисления – перекисями с образованием соединений, не способных к продолжению цепной реакции окисления. Антиокислительные присадки одновременно часто бывают антикоррозионными присадками. В качестве дезактиваторов перекисей применяют фенолы и амины, например, иононол.

Дезактиваторы металлов применяются для подавления каталитического действия ионов металла на окисление масла и относятся к антиокислительным присадкам. В качестве дезактиваторов металлов применяют различные органические соединения (этилендиамины, органические соединения серы, фосфора), которые связывают ионы металлов в неактивные комплексы. Самым распространенным антиокислителем является диалкилдитиофосфат цинка, который одновременно работает как противоизносная присадка. В новых высококачественных моторных маслах содержится до 1,4 % диалкилдитиофосфата цинка.

Моющие присадки предотвращают агломерацию (слипание) нерастворимых продуктов окисления и образование отложений на деталях двигателя. Моющие присадки по своему действию делят на детергенты и диспергенты.

Детергенты – поверхностно активные вещества, обладающие моющими свойствами, предотвращающими поверхность деталей от прилипания и скопления на них продуктов окисления. В качестве детергентов используются маслорастворимые соли металлов – сульфонаты, фосфонаты и др. Многие из них имеют щелочные свойства и активно нейтрализуют продукты окисления. Их недостаток – при сгорании образуют заметное количество золы. Новые синтетические детергенты не образуют при сгорании золу и называются беззольными. Детергенты обеспечивают чистоту горячего двигателя.

Диспергенты предотвращают агломерацию и слипание продуктов окисления, образование шлама или осаждение смолистых отложений на поверхности деталей за счет поддержания коллоидных частиц продуктов окисления во взвешенном состоянии. В качестве диспергентов применяют полимеры с полярными группами и сукцинимиды. Диспергенты в основном обеспечивают чистоту непрогретого двигателя. При эффективной работе диспергентов моторное масло темнеет, а продукты окисления не забивают фильтр и не осаждаются на горячих деталях двигателя.

Эмульгаторы – соединения, понижающие поверхностную энергию жидкостей, вследствие чего из двух несмешивающихся жидкостей – воды и масла – образуется стойкая эмульсия, а вода не выделяется в отдельный слой. Эмульгаторами обычно служат детергенты.

Противопенные присадки снижают интенсивность пенообразования и стабильность пены. В качестве этих присадок используются силиконовые масла – полиалкилсилоксаны и другие полимеры, которые разрушают стенки крупных пузырей и уменьшают образование мелких.

Модификаторы трения – присадки, регулирующие смазывание и силу трения трущихся поверхностей. В моторных маслах модификаторы трения уменьшают трение в условиях предельного смазывания и повышают экономичность двигателя. В гидромеханических передачах модификаторы трения выполняют две противоположные функции – хорошее смазывание зубчатых передач и достаточно высокое трение в мокрых сцеплениях для легкого переключения передач и плавной работы.

Противошумные присадки вводятся в масла для уменьшения шума и повышения плавности работы гидромеханических передач. Обычно это производные природных жирных кислот и серы, фосфониевые кислоты.

Противовибрационные присадки предназначены для механизмов, работающих в условиях ограниченного скольжения, например, самоблокирующиеся дифференциалы, для подавления рывков и вибрации. В качестве противовибрационных присадок применяются жирные кислоты, высшие спирты и амины, диалкилфосфиты и др.

Присадки для обкатки двигателя – химически активные вещества, добавление которых в специальные масла увеличивает износ выступов на поверхности трения, которые выравниваются и прирабатываются.

Восстановительные присадки – это суспензии порошка мягких металлов (меди и олова) в масле, которые не только уменьшают износ поверхностей трения, но в некоторых случаях металлизируют их, восстанавливая прежние размеры.

В дизельное моторное масло, например, вводят большое количество диспергирующих (поддерживающих), противоокислительных и щелочных присадок. Специфика масел обусловлена особенностями работы мотора, действующего по циклу Дизеля, принципиально отличному от процесса Отто, используемого в бензиновых двигателях.

Поскольку в дизелях смесеобразование происходит в сотни раз быстрее, чем в бензиновых двигателях, качество заряда получается хуже. В результате смесь сгорает не полностью - в отработавших газах остается много сажи. Ее-то мы и видим за кормой коптящего "Икаруса" или КамАЗа. Сажа из камеры сгорания попадает и в масло, что ускоряет его старение.

Частицы сажи тяжелые. Масло быстро разносит их по двигателю, они забивают фильтры и откладываются на деталях толстым слоем. Чтобы уменьшить отложения, необходимо эти частицы поддерживать в масле во взвешенном состоянии. С этой целью в дизельные масла вводят большое количество специальных диспергирующих (поддерживающих) присадок. Таково первое отличие дизельных масел.

Все дизели работают на бедных смесях - коэффициент избытка воздуха не ниже 1,3 (то есть его на 30% больше, чем необходимо для полного сгорания в идеальных условиях), а при работе без нагрузки может достигать 10-12. Значит, в цилиндрах почти все время присутствует невостребованный для горения кислород. Поэтому даже в безнаддувном дизеле при средних и высоких нагрузках температура в камере сгорания очень высокая - 500-600°С. Это приводит к окислению масляных пленок на поршнях и стенках цилиндров в большей степени, чем в бензиновых двигателях. Отсюда второе требование к дизельному маслу - высокая стойкость к окислению.

Следующий фактор, который сильно влияет на качество дизельного масла - топливо. В солярке серы на порядок больше, чем в бензине. В российском топливе содержание серы не должно превышать 0,5% (как ни странно, требование выдерживается - мы проверяли) Совсем недавно во всех промышленно развитых странах этот уровень был таким же. Нынче в передовых государствах по экологическим соображениям законодательно ограничили содержание серы в дизельном топливе до 0,05%. При сгорании топлива сера образует большое количество сильнодействующих кислот - серной и сернистой. Теперь представьте, как тяжело мотору - особенно кольцам, цилиндрам, поршням - им сопротивляться. Чтобы нейтрализовать действие кислот, в масло вводят щелочные присадки - это третье отличие дизельного от бензинового. От содержания серы (как и сажи) напрямую зависит срок службы масла. Например, одно и то же масло будет работать вдвое дольше, если в бак заливать солярку, у которой серы 0,2%, а не 0,4%.

Следующие специфические особенности дизельных масел обусловлены уже конструкцией моторов, в первую очередь магистральных грузовиков, мощных тракторов, большегрузных транспортных средств - тепловозов и судов. И вот почему. В дизелях, как правило, в днище поршня делают камеру сгорания. В названных двигателях поршни большого диаметра. Чтобы чисто и эффективно сжигать топливо, обеспечивать минимальный зазор между поршнем и цилиндром (сокращая расход масла на угар, прорыв газов в картер), необходимо поддерживать стабильный тепловой режим поршня. Для этого его снизу охлаждают маслом (подача может быть струйная, шейкерная, циркуляционная), повышая рабочую температуру самого масла, интенсивность его окисления и старения.

Конечно, от этого зависит качество и количество соответствующих присадок.

Есть еще несколько особенностей у дизельных масел, но они связаны уже с направлениями, школами конструирования дизелей. Главные отличия моторов - в камерах сгорания. Поэтому для автомобилей, произведенных в разных странах, необходимы масла с различными свойствами.

В американских дизелях (особенно магистральных автомобилей) зазор между цилиндром и верхней частью поршня (огневой поясок) - 1,1-1,3 мм на сторону - гораздо больше, чем в европейских моторах. Здесь могут накапливаться углеродистые отложения (нагар) большой толщины, что, однако, не сказывается отрицательно на работе мотора. Ему неважны моющие свойства масла, но требуется более высокое содержание диспергирующих присадок, удерживающих сажу (этим, кстати, и выделяются масла американского производства). Раз так, значит в них мало металлсодержащих (зольных) присадок, которые обеспечивают чистоту мотора. И это хорошо - такое масло (малозольное) будет дольше работать.

Европейские производители моторов делают поршневой зазор в полтора-два раза меньшим, чем американские. Это требует от масел высоких моющих свойств. Естественно, у таких масел выше уровень зольности. В двигателях с малым зазором возникает специфический износ - "полировка" цилиндра". Следствие этого - увеличение расхода масла на угар, резкое ухудшение экологических показателей, что для дизелей американского производства нехарактерно.

В последнее время все больше стран требуют оснащать автомобили экологически чистыми дизелями. Хочешь не хочешь, закон надо выполнять, значит, изменять конструкцию двигателей, а в этой связи - и требования к маслам. К примеру, величина выбросов очень токсичных окислов азота зависит от объема над первым поршневым кольцом. Уменьшая его, можно снизить токсичность выхлопа. Проще всего переместить первое компрессионное кольцо вверх и несколько уменьшить зазор между огневым пояском поршня и зеркалом цилиндра. В традиционных американских конструкциях этот объем составлял около 5-8% объема камеры сгорания, в новых - всего 3%.

Те же законы требуют уменьшить расход масла на угар - ведь из-за этого, в атмосферу выбрасываются канцерогены, тяжелые углеводороды и т. п. Чтобы и здесь уложиться в норму, изменили конструкцию поршневых колец и с помощью присадок понизили испаряемость масел.

Из-за этих доработок условия для смазывания поршневых колец (главным образом, первого) ухудшились: туда поступает меньше масла, к тому же повысилась температура. Тогда "масленщики" создали новый класс дизельных масел (и, конечно, другую методику испытаний). В новой группе доля присадок достигла 10-15%, что несравнимо с прежними. Но благодаря этому удалось сохранить и даже немного увеличить срок службы масла (табл. 1).

Таблица 1

Сроки смены моторных масел в дизелях

Изготовитель двигателя	Срок смены масла, тыс. км
«Вольво»	15-45
«Скания»	20-45
ИВЕКО	30-50
МАН	20-45 (60)
«Мерседес-Бенц»	20-45 (90)

Многие дизели оснащены центробежными маслоочистителями. Они неэффективно очищают масло от углеродистых частиц, поскольку невелика разница в плотностях масла и сажи. Поэтому интенсивное, но равномерное (без образования сгустков) потемнение современного масла во время работы дизеля говорит лишь о его хороших диспергирующих и моющих свойствах. И это не вызывает необходимости в экстренной замене масла. Безапелляционное суждение "профессионалов" - масло черное - меняй - для современных двигателей (дизельных и бензиновых) и масел принципиально неверно. Заметим, в маслах еще предусматривают определенный "запас" свойств на временное ухудшение условий эксплуатации и непредвиденные обстоятельства. Конструкторы, инженеры, испытатели прилагают немало усилий, когда определяют срок службы масла, поэтому менять его по своему усмотрению раньше или позже предписанного неразумно да и нецелесообразно, хотя бы по экономическим соображениям.

Срабатываемость присадок в процессе эксплуатации двигателя является важнейшей стадией старения моторного масла.

Уменьшение концентрации присадок до 20 % считается нормальным, а до 50 % – значительным.

При срабатывании присадок ухудшается в первую очередь то эксплуатационное свойство масла, для улучшения которого присадка добавлялась в базовое масло при изготовлении товарной продукции. Кроме этого продукты срабатывания присадок могут оказывать косвенное влияние на другие эксплуатационные свойства.

Определяющее влияние на работоспособность масел оказывают присадки, обладающие диспергирующими и антиокислительными свойствами.

Моющие присадки углубляют и развивают окислительные процессы, в результате чего оксикислоты и асфальтены, дающие липкие осадки, переходят в соединения типа карбенов и карбоидов, которые не закрепляются на металлических поверхностях и смываются маслом. Диспергирующее действие моющих присадок состоит в том, что они, адсорбируясь на поверхности взвешенных частиц, предотвращают их укрупнение и прилипание.

Активными элементами моющих присадок являются Ва, Са и Zn, которые срабатываются с разной скоростью.

Наиболее обобщенным показателем эффективности действия моющих присадок является щелочное число масла.

Щелочное число в результате срабатывания присадки снижается. Поэтому щелочность рассматривается в качестве одного из основных критериев определения срока службы масла. Интенсивность срабатывания наибольшая в начальный период работы двигателя, в последующем процессе стабилизируется. Одной из причин стабилизации является постоянное пополнение расхода масла на угар свежим маслом и восполнение концентрации присадки. Скорость износа деталей ЦПГ двигателя особенно быстро возрастает при уменьшении щелочного числа ниже 1 мг КОН/г масла.

Существует функциональная связь между щелочностью и кислотностью, содержанием нерастворимых в бензине примесей, диспергирующей способностью масла.

По мере уменьшения щелочности возрастает кислотное число, характеризующее процесс накопления продуктов старения, обладающих кислыми свойствами. Содержание нерастворимых в бензине примесей с уменьшением щелочности растет, а диспергирующая способность масла падает. Эквивалентной характеристикой щелочности числа является водородный показатель масла рН.

Присадки должны отвечать определенным требованиям: обладать возможно большей эффективностью, не ухудшать эксплуатационных свойств, не выпадать в осадок при длительном хранении в широком интервале температур, не задерживаться маслоочистительными устройствами, не растворяться в воде.

Желательно иметь такие присадки, которые при добавлении их в масло не вызывали бы изменений (ухудшений) начальных физико-химических показателей. Пока это требование не выполнимо: при добавлении большинства синтезированных присадок исходные параметры масла изменяются. Если в присадку входят металлоорганические соединения, то при сжигании масла остается большее количество золы по сравнению с маслом без присадки. Как правило, повышается коксуемость масел. С введением присадки может увеличиваться начальное содержание органических кислот, но в то же время корродирующее действие масел с присадками значительно ниже. С введением ряда присадок масло приобретает щелочную реакцию и часто высокую щелочность.

С каждым годом расширяются ассортимент и область применения присадок. Если раньше присадки в основном добавляли в масла для двигателей внутреннего сгорания, то сейчас их также широко используют для трансмиссионных, изоляционных, турбинных и многих других масел.