Исследование физических свойств автомобильных масел

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

АВТОМОБИЛЬНЫХ МАСЕЛ

ученик 11 класса средней общеобразовательной

школы-гимназии №17 г. Актобе

Современный автомобильный рынок - огромное разнообразие сортов моторных и трансмиссионных масел, тормозных жидкостей, смазок, антифризов и т. д. Основная задача - правильно сориентироваться в выборе таких материалов, которые благотворно повлияют на здоровье мотора.

Работа ДВС сопровождается трением контактирующих и перемещающихся друг относительно друга поверхностей деталей двигателя. На преодоление сил трения частично расходуется мощность, развиваемая двигателем.

Процесс трения сопровождается износом трущихся поверхностей, причем работа сил трения превращается в теплоту, которую необходимо отвести от поверхности трущихся деталей смазочным материалом. Повышение температуры при этом отрицательно влияет на эффективность работы и моторесурс двигателя.

Наличие сил трения, износ поверхностей деталей и тепловыделение на них отрицательно влияют на угар масла и испарение моторного масла с зеркала цилиндра.

Моторное масло состоит из основы (базового масла) и присадок, которые призваны разнообразить его качество и свойства. По роду исходного сырья основы могут быть либо нефтяными (минеральными), либо синтетическими.

Химический состав минеральных основ зависит от качества нефти, пределов выкипания отбираемых масляных фракций, а также методов и степени их очистки.

При прямой перегонке мазута из него выделяются масляные фракции с низкой вязкостью - такие минеральные основы называются дистиллятными. Основы же повышенной вязкости получают из того, что остается после перегонки, - гудрона и полугудрона, эти масла так и называются остаточными. Для получения базового масла с заданным уровнем вязкости дистиллятные и остаточные основы смешивают в определенных пропорциях.

Улучшение качества традиционных масел на минеральной основе, конечно, дает свои плоды, однако предел возможностей, видимо, уже не за горами - современные двигатели требуют масел с такими свойствами, которые существующая технология "простой" нефтепереработки обеспечить не может. Поэтому все большее распространение получают масла на синтетической основе - диэфирные, полиалкиленгликолевые, фторуглеродные, силиконовые и другие. Они выполняют те же функции, что и минеральные, но делают это на более высоком качественном уровне. Синтетические масла обладают исключительно удачными вязкостно-температурными характеристиками. Это, во-первых, гораздо более низкая, чем у минеральных, температура застывания (–50°, –60°C) и очень высокий индекс вязкости, то есть относительно небольшое изменение вязкости в зависимости от изменений температуры, что очень облегчает запуск двигателя в морозную погоду. Во-вторых, они имеют более высокую вязкость при рабочих температурах свыше 100°C - благодаря этому масляная пленка, разделяющая поверхности трения, не разрушается в экстремальных тепловых режимах.

К прочим достоинствам синтетических масел можно отнести высокую термоокислительную стабильность, то есть малую склонность к образованию нагаров и лаков, а также небольшие по сравнению с минеральными маслами испаряемость и расход на угар. Немаловажно и то, что синтетика требует введения минимального количества загущающих присадок, а особо высококлассные ее сорта не требуют таких присадок вообще, следовательно, эти масла очень стойкие - ведь разрушаются в первую очередь именно присадки.

Все эти свойства синтетических масел способствуют снижению общих механических потерь в двигателе и уменьшению износа деталей. Кроме того, их ресурс превышает ресурс минеральных в 5 и более раз - есть синтетика, которую можно менять через 50 тыс. км пробега.

Основным фактором, ограничивающим применение синтетических масел, является их высокая стоимость. Они в 3–5 раз дороже минеральных. В связи с этим многие фирмы производят полусинтетические масла - в минеральное масло вводят 25–50% синтетики. Компромисс этот весьма удачный: по качеству и по цене полусинтетика находится между синтетикой и минеральными маслами.

Классификации моторных масел по составу

Потенциал нефтяных смазок не безграничен, и он уже исчерпан по ряду параметров: термическая стабильность, антиокислительная стойкость, износостойкость и энергосберегающая способность, температурно-вязкостные свойства.

Принципиальное отличие синтетических смазок от нефтяных или, как их часто называют, минеральных, заключается в том, что в качестве основы применяются материалы, которые синтезируют химическим путем из органических компонентов, а не переработкой нефти. Синтез с использованием определенных химических соединений позволяет получать продукты с запланированными свойствами. В основном это полиальфаолефины (ПАО), или сложные эфиры, обладающие значительно более высокими по сравнении с нефтяными основами значениями названных выше параметров.

Синтетические масла.

Синтетические масла — лучшее из того, что предлагает современная нефтехимия. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с минеральными. Они легкотекучие, следовательно, обеспечивают меньшие потери мощности на трение и, как следствие, снижение расхода топлива и имеют самые низкие температуры прокачки, т. е. позволяют работать двигателю даже при температуре ниже минус 30 С. Они имеют меньшую испаряемость при высокой температуре, повышенный срок службы. Главный недостаток, ограничивающий их повсеместное применение, это большая цена. Синтетические масла в среднем в два-пять раз дороже минеральных.

Компромиссное решение — «коктейль» из синтетической и минеральной основ. «Полусинтетика» дешевле, но несколько уступает по качеству и сроку службы. Ее можно использовать в высокофорсированных бензиновых двигателях и дизелях, а также в двигателях с турбонаддувом.

Другой компромисс — облагораживание минерального масла в ходе процесса гидрокрекинга: продукт получается близким по исходным свойствам, но стареет такое масло еще быстрее. Кстати, многие известные компании не утруждают себя точными формулировками, выдавая «гидрокрекинг» за «полусинтетику» и даже за «синтетику». Пример честной конкуренции: Castrol открыто называет легкотекучее масло GTX 5 Lightec продуктом гидрокрекинг-синтеза, a Carlube даже занижает достоинства серии Vectron, называя свои аналогичные масла минеральными.

Минеральные масла наиболее дешевые и используются в двигателях средней напряженности. Использование этих масел на отечественных автомобилях самое оптимальное. Выигрыш в уменьшении потерь на трение и снижении расхода топлива при использовании синтетики или полусинтетики может и не покрыть значительных затрат на масло.

Минеральные масла.

Минеральные масла изготавливаются из нефти путем дистилляции и рафинирования. Для обеспечения требуемого уровня эксплуатационных характеристик такие масла обычно содержат большое количество различных присадок, которые имеют обыкновение в процессе эксплуатации довольно быстро разрушаться, вследствие чего такие масла требуют более частой замены.

Минеральные масла различаются по химическим видам, содержанию серы и по вязкости (которая может быть от 5 до 700 сСт). Используются при умеренных температурах. Известны три химических вида минеральных масел — парафиновые, нафтеновые и ароматические. Ароматическая составляющая на практике составляет лишь незначительную компоненту парафиновых или нафтеновых масел. Существенные различия между парафиновыми и нафтеновыми маслами обусловлены разной зависимостью вязкости от температуры и давления. Кроме того, парафиновые масла стоят дороже, поскольку требуют больше циклов переработки, чем нафтеновые.

Содержание серы в масле зависит от источника сырой нефти и процесса переработки. Небольшие количества серы в масле желательны для обеспечения хорошей смазки и окислительных свойств. При содержании естественной серы от 0,1 до 1,0% обеспечивается снижение интенсивности изнашивания. Слишком много серы вредно для эксплуатационных свойств машины, так как это может коррозировать уплотнения. Излишняя сера может быть удалена из нефти при переработке, но отражается на цене нефтепродуктов. В зависимости от месторождения содержание серы в сырой нефти изменяется от 0 до 8%.

Гидрокрекинговые масла.

Эти масла изготавливают из базовых минеральных масел, получаемых в процессе гидрокрекинга из нефти и комплекса присадок. Разные производители по-своему называют процесс получения масел с помощью гидрокренкинга.

Полусинтетические масла.

Полусинтетические масла, как правило, содержат в базовом продукте смесь продуктов перегонки и ПАО плюс пакет функциональных присадок, причем синтетический компонент составляет 20—40%.

Они улучшают условия пуска холодного двигателя, эффективно очищают двигатель и обеспечивают хорошую защиту от износа. Типовое значение вязкости 10W40.

Синтетические масла.

Синтетические масла тоже имеют нефтяную основу, но являются специально разработанной заменой минеральным маслам, производятся другими способами и обладают существенно отличающейся от предыдущих молекулярной структурой.

Экспериментальная часть

Для проведения тестовых испытаний были выбраны синтетические масла ведущих европейских фирм класса вязкости 5W-40: MANNOL Elite, MOBIL Synt S, SHELL Helix Ultra, а также самое распространенное российское масло класса вязкости 10 W-40.

Целью исследования явилась проверка заявленных характеристик указанных масел в максимально большом диапазоне температур. Хотелось также найти ответ на вопрос о том насколько хуже характеристики полусинтетических масел, аналогичным характеристикам синтетических масел, которые дороже первых более чем вдвое.

Определялась плотность масел, а также их вязкость при различных температурах. Плотность определялась на приборе DMA 4500 австрийской фирмы Anton Paar при температуре 20°С а вязкость на приборе SV-10 в широком диапазоне температур.

Результаты определения плотности представлены в таблице. Как видно из таблицы все масла в основном соответствуют тем параметрам которые указаны их производителями.

Марка масла	ЛУКОЙЛ Супер кг/м3	MOBIL Synt S кг/м3	MANNOL Elite кг/м3	ZIC XQ кг/м3
Заявлено производителем	871	855	850	855
Получено в измерениях	870	851	852	854

Результаты наших опытов по определению динамической вязкости при температуре 100 С.

Марка масла	ЛУКОЙЛ Супер	МОВIL Synt	MANNOL Elite	ZIC XQ
Класс вязкости	10W-40	5W-40	5W-40	5W-40
Вязкость динамическая при темп. 100° С мПа∙с	13,75	14,2	14	13,75
Температура застывания (по данным производ.)	- 37	- 39	- 45	- 42,5

Результаты измерений показывают, что характеристики масел при высокой температуре (стандартные условия измерения – температура 100° С) наилучшие у масла марки МОВIL, наихудшие у масла ЛУКОЙЛ, хотя большой разницы отмечено не было.

Затем оценивались свойства масел во всем диапазоне температур. Сравнивалось наиболее дорогое масло марки МОВIL и самое дешевое – марки ЛУКОЙЛ.

Динамическая вязкость (мПа∙с)

Температура	-20	-10	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Лукойл	3550	1764	878	369	172	98	63	37	25	18	16	15,2	13,75
Mobil	3321	1560	724	341	165	93	62	36	26	19	17	15,6	14,2

Масла, обладающие близкой вязкостью при 50 или 100° и одинаковым индексом вязкости, могут иметь различные вязкостно-температурные свойства при комнатных и более низких температурах. Это мы и наблюдаем в представленных результатах. Таким образом, можно сделать вывод о том, что наилучшим маслом следует признать то масло у которого вязкость максимальна при температурах, близких к 100°С и минимальна при наиболее низких температурах. Этим качеством и отличаются масла известных зарубежных фирм. В среднем же диапазоне температур эти качества одинаковы практически у всех синтетических масел и даже не слишком отличаются от вязкостных свойств полусинтетических масел.

Таким образом можно сделать вывод, что наилучшими эксплуатационными качествами обладают масла на синтетической основе. Критерием качества здесь может быть минимальная вязкость при самых низких температурах и максимальная вязкость при температурах близких к 100°С. Именно этими качествами обладают масла известных зарубежных фирм класса вязкости 5W-40: MANNOL Elite, MOBIL Synt S, SHELL Ultra Helix. При эксплуатации автомобиля в летний период, в особенности если моторесурс двигателя достаточно велик, вполне допустимо применение полусинтетических масел класса вязкости 10W-40.

ЛИТЕРАТУРА

2. , рение и смазка. Пер. с англ. Под ред. . Востропятов. М., Машиностроение, I980, 150 с. 

3. Применение смазочных масел в двигателях внутреннего сгорания. М., Химия, 1979, 238 с.