Немного о современных автомобильных маслах

Все смешалось в мировом автомобильном рынке. И прежде всего – автомобильные платформы, концепции, традиции. Уж нет чистых «американцев», «европейцев», «японцев». Но «врожденные» особенности их двигателей оказали огромное влияние на создание моторных масел и методы их испытаний.

Эти особенности отражены в классификациях моторных масел – американской API, европейской ACEA, японской JASO, международной ILSAC. Нюансы, связанные с конструкцией агрегатов, оговорены в спецификациях ведущих производителей автомобилей. А тенденции унификации двигателей учтены в международной «дизельной» спецификации Global DHD-1.

Европейские двигатели, в отличие от американских, более компактны и легки. Удельный объем масляной системы у них меньше, а кратность циркуляции масла – выше. Отсюда следует вполне логичный и подтвержденный практикой вывод: тепловой режим работы «европейцев» более напряженный.

Поэтому европейские автомобильные корпорации предъявляют более жесткие требования к антиокислительным и противоизносным свойствам масла. Соответственно в двигатели европейского производства следует заливать масла, прошедшие аттестацию по нормам АСЕА, где все это учтено. И уж совсем хорошо, если они будут иметь допуски BMW, MB, VW…

А если под капотом дизель? Здесь требуется уточнение: какой именно? Если легковой вихрекамерный, то в маркировке масла по АСЕА должна значиться В3 или более высокая В4. И если это не противоречит требованиям завода-изготовителя, энергосберегающие масла категорий B1 и В5. Если мы видим на этикетке надпись ACEA В4, значит, масло предназначено для дизелей с непосредственным впрыском топлива. А вот, например, категории E5 или Е7 за особо высокую чистоту поршней и предотвращение полировки цилиндров.

Кстати, о полировке. Если верхнее компрессионное кольцо у поршня расположено высоко, его огневая перемычка постепенно покроется твердым нагаром. При перекладке поршня нагар будет стирать хонинговальные риски, призванные удерживать масло на стенках цилиндра. При этом резко увеличивается расход масла, что впоследствии приведет к задирам.

Поэтому в европейские методы испытаний масел входит проверка степени заполированности цилиндра (в процентах от общей площади гильзы). Для предотвращения полировки в масло вводят большое количество моющих присадок – детергентов. Они содержат поршень в чистоте, не позволяя образовываться нагару.

А вот в американских методах испытаний полировку цилиндров никак не оценивают. Главная причина в том, что в американских моторах верхнее поршневое кольцо расположено дальше от камеры сгорания, огневой поясок более «холодный», нагара образуется меньше, и он существенно мягче.

В отличие от «европейцев» они традиционно имеют большой литраж и едва ли не всю жизнь работают «вполсилы». Значит, и тепловые нагрузки на мотор получаются меньшими, чем у «европейцев». Но за это приходится расплачиваться склонностью масел к образованию низкотемпературных отложений. А городской режим движения лишь усугубляет проблему.

Короткие расстояния, светофоры, ограничения скорости… Доехал до офиса, а мотор толком не прогрелся. Вечером, после работы история повторяется. Вот и копятся в картере те самые низкотемпературные отложения: мазеообразный шлам с большим содержанием воды.

Как известно, для борьбы с этой напастью в масло вводят беззольные дисперсанты. Современные масла содержат их в больших количествах – до 60% от общего объема пакета присадок. Для американских двигателей присутствие беззольных дисперсантов особенно важно.

Несколько слов о двигателях корейских и японских автомобилей. Исторически сложилось, что при выборе масел для этих моторов уделяют особое внимание работе механизма газораспределения. Свою роль тут играют и конструкция двигателя, и материалы трущихся пар. Поэтому японская классификация JASO предусматривает собственные методики испытаний масел, придавая особое значение эффективности противоизносных присадок. Кстати, «износная» методика JASO вошла в международную спецификацию Global DHD-1, объединившую современные требования американской, европейской и японской классификаций.

Как создается новое масло
Что движет автомобильной компанией в стремлении обзавестись новым маслом? Никакого секрета: научно-технический прогресс, экологические требования и, самое главное — собственные коммерческие интересы, не очевидно связанные с первыми двумя факторами.

• различные виды форсирования моторов, включая резкое увеличение удельной мощности;

• введение турбонаддува, компрессоров;

• создание каталитического нейтрализатора и системы рециркуляции отработавших газов.

Автомобильная компания оформляет свои требования и направляет их производителю моторных масел. В документации указываются класс вязкости продукта, уровень эксплуатационных свойств по известным классификациям и ряд иных, зачастую специфических требований.

Процесс начинается с выбора базового масла. Заданный класс вязкости, особенно если речь идет о всесезонном продукте, позволяет сделать первый шаг. Так, масла классов вязкости SAE 0W-XX или SAE 5W-XX (здесь ХХ – условный летний класс) потребуют синтетической или гидрокрекинговой базы. Более вязкие при низкой температуре масла могут быть частично синтетическими или же минеральными, если это не противоречит каким-то особым требованиям.

Не забудем также, что полусинтетическая или минеральная база позволит сделать новый продукт относительно недорогим. Так рождаются бюджетные минеральные и полусинтетические масла – например, для массовых автомобилей.

После выбора базы конструкторы масел выбирают загущающие присадки или их комбинации. Эти ингредиенты меньше повышают вязкость базы при низких температурах, чем при высоких. Поэтому загущенные масла при отрицательных температурах ведут себя как зимние, а в области высоких температур – как летние.

Затем маслу придается гамма требуемых эксплуатационных свойств, которые зависят от присадок, в частности – от их концентрации и эффективности. Моющие, диспергирующие, противоизносные, антиокислительные, антикоррозионные, противоржавейные, противопенные и другие присадки.

Температура застывания масла регулируется депрессорными присадками, которые сегодня все чаще становятся многофункциональными. Так, депрессоры класса полиметакрилатов являются еще и загустителями, а в последнее время им придают и диспергирующие свойства. Получатся, образно говоря, «три в одном».

Важно добиваться совместимости присадок. Иными словами, присадки не должны быть антагонистами. Допускается нейтральное отношение друг к другу, но лучше, если оно будет синергетическим, когда действие композиции эффективнее простого суммирования действий отдельных присадок.

Но вот синергетический пакет готов. Как он будет сочетаться с базой? Например, полиальфаолефины, входящие в состав синтетической базы, плохо растворяют классические присадки. И тогда для повышения растворяющей способности в базу вводят сложные эфиры карбоновых кислот (эфиры), диалкилбензолы и даже минералку, имеющие полярные молекулы. Другой путь – создание пакета присадок, растворимых в полиальфаолефинах.

Современные моторные масла напрямую зависят от совершенствования двигателей. На автомобили сейчас устанавливают каталитические нейтрализаторы и сажевые фильтры. Моторные масла должны быть совместимы с этими системами и агрегатами и не выводить их строя в течении гарантийного срока, поэтому в композициях присадок все более ограничивают содержание фосфора и серы. Снижают сульфатную зольность масла, которая связана с моющими присадками – зольными детергентами.

Требования к маслам стали противоречивыми! С одной стороны, надо повышать антиокислительные свойства, а с другой – изгонять из рецептуры фосфор. Улучшать моющие свойства, и тут же – снижать зольность…

Ведущие разработчики присадок создают новые эффективные композиции, в которые вместо одной специальной присадки вводят две или три, заставляя их работать в уже упоминавшемся синергетическом взаимодействии. Так родилась технология low SAPS, гарантирующая низкую величину сульфатной зольности, фосфора и серы.

И если мы читаем в документации, что такое-то масло пригодно для двигателей, снабженных каталитическим конвертором, можно продолжить: значит, антиокислительные присадки в нем содержат минимум фосфора.

После создания масла, конструкторы переходят к моторным испытаниям. Если все в порядке и требуемые показатели укладываются в допуски, новое масло отправляют на комплексные испытания эксплуатационных свойств по всем оговоренным в задании методикам.

Несколько секретов энергосберегающих масел
Вспомним: мощность, развиваемая при расширении газов в цилиндрах двигателя, называется индикаторной. А мощность, отдаваемая коленчатым валом, – эффективной. Разность между индикаторной и эффективной мощностью составляет мощность трения.

Однако мощность трения определяется не только трением в сочленениях силового агрегата. В это понятие входят и насосные потери, т.е. затраты энергии на работу масляного насоса и навесного оборудования: вентилятора, генератора, бензонасоса, водяного насоса…

Но и это еще не все. К насосным потерям относят также затраты мощности на всасывание воздуха через фильтр и систему впуска (в двигателях без наддува) или на обеспечение работы турбины (в наддувных ДВС). И в любом случае тратится энергия на преодоление сопротивления системы выпуска отработавших газов.

Снижение насосных потерь во всем их многообразии – забота конструкторов ДВС. А вот снижение трения и уменьшение износа при смазывании реального двигателя относится к задачам создателей моторных масел.

Основные потери мощности на преодоление трения наблюдаются в парах «цилиндр – поршень», в коренных и шатунных подшипниках коленчатого вала и в механизме газораспределения. Природа потерь во всех случаях разная. А значит, и способы лечения недугов должны быть различные. То есть энергосберегающие свойства масла надлежит «программировать» с учетом режимов его работы в каждой паре.

Начнем с цилиндропоршневой группы. Вблизи верхней мертвой точки поршень движется с малой скоростью. Масляная пленка здесь не образуется, присутствуют лишь ее граничные слои. Поэтому и сила трения в этой зоне с вязкостью масла не связана.

Но вот поршень пошел вниз, и граничный режим смазки сменился жидкостным (гидродинамическим), при котором сила трения существенно зависит от вязкости масла. Тот же жидкостный режим наблюдается в парах «вкладыш – шейка коленчатого вала» – здесь потери также зависят от вязкости.

В газораспределительном механизме, в частности, в парах «кулачок – толкатель» действует смешанный (эластогидродинамический) режим смазки. Контактные давления здесь очень велики, и потери связаны не столько с вязкостью масла, сколько с изменением свойств масляной пленки под «прессом» контактирующих поверхностей.

Если же распределить потери мощности внутри двигателя по отдельным механизмам, то на цилиндропоршневую группу придется порядка 70% утраченной энергии, а на остальные узлы – примерно 30%.

Получается, что сэкономить на мощности трения можно, управляя двумя параметрами. Во-первых, вязкостными свойствами масла в жидкостном (гидродинамическом) режиме; во-вторых – его «правильным» поведением в граничном и смешанном (эластогидродинамическом) режимах.

Начнем с того, что энергосберегающим маслам придают меньшую вязкость, нежели их коллегам, – разумеется, в допустимых пределах. Но и этого, в общем-то, небольшого снижения бывает достаточно, чтобы уменьшить трение в жидкостном режиме смазки – например, в подшипниках и в цилиндрах, когда поршень набирает скорость после прохождения верхней мертвой точки.

Кроме того, делу помогают уже знакомые нам загущающие присадки. Благодаря особым свойствам их макромолекул вязкость масла зависит не только от температуры, но и от так называемого градиента скорости сдвига. Упрощенно говоря, свойства масла в зазоре становятся управляемыми: при уменьшении скорости движения трущейся поверхности (например, поршня в цилиндре) вязкость возрастает, а при увеличении – падает.

На практике сказанное выглядит так: в середине хода поршня вязкость масла становится меньше, чем при его приближении к ВМТ. А это означает снижение потерь на трение и… правильно, некоторую экономию топлива.

Кстати, сезонные масла (летние и зимние) не могут быть энергосберегающими, поскольку загущающие присадки в них не вводят. Поэтому «беречь энергию» способны лишь всесезонные масла.

Пока мы говорили лишь о жидкостном режиме смазки. Чтобы сэкономить топливо в граничном режиме, в масло добавляют особые присадки – модификаторы трения. Они адсорбируются на металлических поверхностях, образуя некое подобие эластичного «ворса». Его слой легко деформируется в направлении движения того же поршня, существенно снижая коэффициент трения. Поэтому вблизи ВМТ также создается «режим экономии».

И наконец, о смешанном режиме смазки. Модификаторы трения помогают несколько снизить потери в парах «кулачок – толкатель». Однако серьезного влияния на энергосбережение это не оказывает.

Создание энергосберегающего масла начинается с выбора основы. Существует правило: базовое масло должно обеспечивать «зимние» характеристики из ряда SAE 0W, SAE 5W или SAE 10W.

Таким образом, масла SAE 0W-30 или SAE 5W-30 могут быть энергосберегающими, а вот SAE 5W-50 или SAE 15W-40 – нет.

База «бережливого» масла может быть синтетической, полусинтетической или гидрокрекинговой, но не чисто минеральной.

Подобрать композицию присадок при создании «бережливого» масла непросто. Вот лишь один пример: модификаторы трения конфликтуют с другими ингредиентами пакета, в частности с дисперсантами и детергентами. Каждый из них стремится к адсорбции на металлической поверхности и жаждет потеснить конкурента.

Что же требуется от химиков? Преодолеть антагонизм присадок? Не только. Их задача – создать такую композицию, чтобы антагонисты превратились в синергистов, когда содружество присадок оказывается эффективнее отдельных ингредиентов.

Что и говорить, работа ювелирная. Но результат того стоит. В энергосберегающих маслах композицию присадок составляют так, чтобы моющие, антиокислительные, диспергирующие, вязкостные и прочие присадки и сами не увеличивали потерь, и не мешали работать модификаторам трения.

А конечная цель подбора и введения композиции присадок такова: объединение преимуществ маловязких масел (эти преимущества проявляются в области низких температур) с минимизацией потерь в граничном режиме смазки.

Несколько слов о маркировке продуктов. Если данное энергосберегающее масло сертифицировано по API, после обозначения категории продукта ставятся буквы EC (Energy Conserving) или FE (Fuel Economy).

В европейской классификации АСЕА используются обозначения A1 и A5 для бензиновых двигателей, либоB1 и B5 для дизелей. В чем отличия между «единичкой» и «пятеркой»? Никакого секрета: A1 и B1 имеют высокие энергосберегающие свойства и обычный срок службы, в то время как A5 и B5 наоборот – увеличенный срок службы при относительно меньшем энергосбережении.

По международной классификации ILSAC, разработанной совместно американскими и японскими производителями автомобилей, энергосберегающие масла обозначаются символами GF-1, GF-2, GF-3, GF-4 и GF-5.

Кстати, а как происходит оценка энерго­сберегающих свойств масел? И официальное их подтверждение? Ну конечно, путем испытаний в двигателях по специально разработанным методикам. Расход топлива сравнивается с контрольными цифрами, полученными при работе тех же двигателей на так называемом эталонном масле. Разумеется, эталон энергосберегающими свойствами не обладает.

По европейским меркам экономия топлива для масел категорий ACEA А1, А5, В1 и В5 должна быть не менее 2,5%. Только тогда испытуемое масло официально признается энергосберегающим.

Американцы и японцы пошли дальше европейских специалистов, задавшись вопросом: как изменятся энергосберегающие свойства, если проехать, положим, 5 тыс. миль? И ввели особый метод испытаний: свежее масло сравнивается с эталонным, затем работает определенный срок в тяжелом режиме и снова сравнивается с эталонным. Так выявляется весьма показательная характеристика – сохраняемость энергосберегающих свойств. Согласитесь, показатель для эксплуатации очень важный, поэтому мы и выделили его жирным шрифтом.

Возможно, кто-то заинтересуется: а на каких двигателях проводятся все эти испытания? Европейцы оценивают экономию топлива на 16-клапанном 4-цилиндровом двигателе объемом 2 л с распределенным впрыском бензина. Американцы – на V-образной «восьмерке» марки Ford объемом 4,6 л также с распределенным впрыском бензина.

Ну ладно, испытания испытаниями, а какую реальную экономию топлива можно получить в условиях повседневной эксплуатации? Вот усредненные цифры, при коротких поездках в городе до 3–5,5%; на маршрутах «город – пригород» до 2,2–2,8%; в дальних рейсах по благоустроенным дорогам – до 2,2–2,8%.

Наибольшее энергосбережение получается при езде в городе зимой, когда расход топлива велик; наименьшее – на автострадах летом, когда он относительно мал. Именно поэтому зимой рекомендуются использовать масла 0W20, 0W30 и 0W40, не только из-за низкой температуры застывания.

Пусть приведенные цифры покажутся кому-то скромными, но зато они реальные. Ведь когда иные рекламные публикации сулят экономию топлива в 20–30%, это либо миф, либо блеф, либо… одно из двух. Даже если свести мощность трения к нулю (что возможно лишь теоретически), можно сберечь не более 8% топлива.

Но вернемся к реальным цифрам. Пять, три, два процента… При нынешней дороговизне топлива и это очень хорошо. Почему же энергосберегающие масла не вытесняют обычные? Может, они получаются слишком дорогими?

Действительно, энергосберегающие масла несколько дороже обычных, но не настолько, чтобы отказаться от заманчивой экономии топлива. Причина в другом: они подходят далеко не всем моторам.

Высокофорсированные двигатели, компактные и легкие, не приемлют малой вязкости, свойственной энергосберегающим маслам. Это особенно проявляется при высоких скоростях и тяжелых нагрузках.

Поэтому при выборе масла следует неукоснительно соблюдать рекомендации автопроизводителя. Если он не допускает применения энергосберегающих масел, значит, и затеваться не стоит. В лучшем случае вы потеряете гарантию, в худшем – мотор.

Есть еще один фактор – экономический. Расточительные американцы не слишком заботятся об экономии топлива как таковой. У них масла даже высших категорий API бывают не энергосберегающими.

Другое дело страны, не имеющие собственных запасов нефти: Германия, Франция, Япония и ряд других. Там энергосберегающие масла пользуются большой популярностью. Немалую роль играет и экология, о которой мы поговорим ниже.

Вот и получается, что обычные и энергосберегающие масла – не конкуренты. Они органично дополняют друг друга в ассортименте производителей моторных масел. А уж дело потребителя выбирать масло согласно рекомендациям автопроизводителя, стилю вождения и финансовым возможностям.

Моторные масла и экология
Сейчас много рассуждают об экологичности транспорта. Свою лепту в экологические борения способны внести и моторные масла. Причем уже сегодня, на обычных моторах, питающихся бензином или дизельным топливом.

Влияние моторного масла на экологичность двигателя внутреннего сгорания можно рассматривать в трех аспектах – на первый взгляд независимых, а на деле тесно связанных между собой.

Аспект первый: влияние моторного масла на состав отработавших газов. Например, присутствие в масле серы, галогенов (фтора, хлора) и фосфора приводит к образованию веществ, губительных для нашей среды обитания.

Желаете примеры? Пожалуйста, вот далеко не полный список: при сгорании серы образуются оксиды SO2 и SO3, вызывающие кислотные дожди. Фтор – яд для человека. Кроме того, при его сгорании образуются очень токсичные вещества. Фосфор способствует образованию кислот, снижающих щелочность масла. А это влечет коррозионный износ деталей и ухудшение экологических показателей мотора.

Аспект второй: энергосбережение. Снижая расход топлива, мы уменьшаем общее количество отработавших газов – пусть ненамного, но все же… Впрочем, если выигрыш умножить на число автомобилей, колесящих по городам, эффект будет вполне ощутимым. Кроме того, в атмосферу попадет меньше углекислого газа CO2. А это означает борьбу с парниковым эффектом на нашей многострадальной планете.

Аспект третий: совместимость масла с узлами, призванными самим работать на экологию. Как вы догадались, речь идет о сажевых фильтрах и каталитических нейтрализаторах – как двух-, так и трехкомпонентных. У каждого из этих устройств в составе моторного масла есть свой враг.

Так, сульфатная зольность масла влияет на загрязнение и возможность регенерации сажевого фильтра, фосфор отравляет катализатор дожига угарного газа CO и несгоревших углеводородов CH, а сера нарушает работу нейтрализатора оксидов азота.

Но не все так страшно. Уже сегодня можно пойти и свободно купить масло, содержащее минимум фосфора и серы. Оно сохранит нейтрализаторы в целости и сохранности.

Вспомним еще одну характеристику моторного масла, тесно связанную с экологией. Это фракционный состав товарного продукта.

В камеру сгорания масло попадает двумя путями. Во-первых, через зазор между цилиндром и поршнем, когда последний устремляется вверх, и верхнее поршневое кольцо гонит перед собой маленькую волну масла. Поршень достиг ВМТ, волна по инерции продолжила движение, масло осело на периферийных участках камеры сгорания – но при воспламенении топливной смеси сгорело не полностью, стенки помешали. Дальше все понятно: происходит выброс несгоревших углеводородов. Из выхлопной трубы вылетает характерный синеватый дым. Здесь поможет лишь одно: ремонт двигателя. В лучшем случае замена поршневых колец, в худшем – расточка блока с заменой поршневой группы.

Во-вторых, – за счет испарения части легких фракций масла со стенок цилиндра. Специалисты называют это явление «селективным испарением». В результате в надпоршневом пространстве оказываются специфические углеводородные соединения, опять же влияющие на состав отработавших газов и состояние нейтрализаторов – понятно, что в худшую сторону.

И тут на арену выходят уже не ремонтники-мотористы, а разработчики моторных масел. Они обязаны ограничить испаряемость своего продукта строго определенными рамками.

Например, существует метод испытаний, когда масло выдерживается при 250°С в течение часа. После «экзекуции» оценивается потеря массы продукта за счет испарения. Так вот: для экологически чистых и совместимых с нейтрализаторами и сажевыми фильтрами масел эти потери не должны превышать 13%.

Но вернемся к пресловутым сере и фосфору и познакомимся с кое-какими цифрами. Нефтяные компании уже научились снижать содержание серы в топливе – на то и вводимые повсеместно нормы Euro. Значит, на очереди моторное масло? Именно так. Вот какие нововведения ждут нас в ближайшее время.

Содержание серы в масле существенно уменьшится. Скажем больше: оно будет зависеть лишь от состава присадок и ограничится величиной 0,25%, максимум – 0,3%. Содержание фосфора в масле по новейшим спецификациям не превысит 0,08%.

Что касается сульфатной зольности, то для бензиновых двигателей с нынешних 1,3–1,5% она снизится до величины, не превышающей 0,8%. Для легковых дизелей – с 1,8% до показателя, не превышающего 1%. Для дизелей грузовиков и автобусов – с 2% до величины не более 1%.

Возможно, голые цифры покажутся нашим читателям сухими и малоинтересными. Если так, добавим эмоций. Вглядитесь, вдумайтесь: снижение того, снижение сего – и не на какие-то жалкие доли процента, а в 1,5–2 раза! Это ставит перед производителями присадок и моторных масел сложнейшие задачи.

Например, содержание зольных присадок должно уменьшиться, а уровень моющих свойств и срок службы масла – остаться прежним (кстати, на некоторых европейских автомобилях он доходит до 30-50 тыс. км).

На всякий случай поясним: с зольностью связан такой важнейший показатель, как щелочность масла, – надо же нейтрализовывать кислоты! А зольность маслу придают металлы, входящие в состав детергентов. Значит, нужны беззольные носители щелочности (например на основе бора) и принципиально новые противоизносные, антиокислительные (без серы и фосфора) и прочие присадки, в частности – заменители дитиофосфатов цинка, активно используемых в «масляном» деле десятки лет.

А если подходить глобально, так сказать – стратегически, речь идет о создании присадок нового поколения, и такие продукты уже появились.

Говоря об экологии моторных масел, нельзя обойти и двухтактные двигатели, применяемые не только на мотоциклах, но и на бензопилах и садовой технике. Все эти машины и механизмы трудятся «на пленере», непосредственно соприкасаясь с почвой и водой. Поэтому с точки зрения экологии оптимальными являются биоразлагаемые масла.

Эти продукты распадаются под действием бактерий и солнечного света и не наносят вреда окружающей среде. Лучше всего разлагаются масла, созданные на основе растительного сырья — эфиров. Хуже всего – минеральные нефтяные (гидрокрекинговые) а также синтетические масла на основе полиальфаолефинов и GTL масла.

Написано 30 октября 2018 года