03/02/2018
Самое первое в мире моторное масло было запатентовано в 1873 году американским доктором Джоном Эллисом. В 1866 году Эллис изучал свойства сырой нефти в медицинских целях, но обнаружил, что сырая нефть обладает хорошими смазочными свойствами. Эллис залил экспериментальную жидкость в заклинившие клапаны большого V-образного парового двигателя. В результате клапаны освободились и стали двигаться свободнее, а Джон Эллис зарегистрировал бренд Valvoline (от Valve — «клапан» и Oil — «масло», то есть «клапанное масло») — первый в мире бренд моторного масла.
Для смазывания цилиндров паровых машин использовались сначала животные жиры, а затем — специальные высоковязкие остаточные нефтяные масла (цилиндровые масла: цилиндровое 24 — вискозин, цилиндровое 52 — вапор, и другие) с добавкой животных жиров, обладающие достаточно высокой температурной стабильностью и водоотталкивающими свойствами. По сравнению с современными моторными маслами цилиндровые масла отличались очень высокой вязкостью (даже по сравнению с современными высоковязкими моторными маслами), вследствие чего для смазывания двигателей внутреннего сгорания оказались неприменимы.
В первых двигателях внутреннего сгорания для смазывания использовались самые различные материалы, от минеральных масел до растительных. Касторовое, или рициновое, масло в этой роли дожило до Первой мировой войны, в годы которой оно широко использовалось для смазки радиальных авиамоторов, а в СССР могло применяться и в конце 1920-х годов из-за дефицита нефтепродуктов; оно обеспечивало хорошую смазку благодаря высокой вязкости, но быстро засоряло двигатель нагарами и смолистыми отложениями, ввиду чего требовалась его очень частая — каждые 500…600 км — разборка для очистки. Со временем, однако, доминирующее положение окончательно заняло минеральное (нефтяное) масло, получаемое из нефти путём дистилляции по топливно-масляному варианту (масляный дистиллят нефти, получаемый вакуумной перегонкой мазута или смеси гудрона с мазутом).
Вплоть до 1930-х — 40-х годов все моторные масла представляли собой чистое минеральное масло без каких либо добавок (автол), аналогичное обычному машинному маслу, используемому для смазки станков. Качество масла определялось степенью его очистки — хорошо очищенные масла имели золотисто-медовый или янтарный оттенок и высокую прозрачность, они содержали меньше вредных для двигателя примесей и оставляли в нём меньше отложений. Изначально для очистки смазочных масел использовался известный ещё с середины XIX века кислотный метод, в ходе которого масло обрабатывалось концентрированной серной кислотой, расщеплявшей содержащиеся в нём непредельные углеводороды и азотистые основания, а затем остатки кислоты нейтрализовались щёлочью. При кислотно-контактной очистке масло после обработки кислотой подвергалось дополнительной обработке белой глиной, адсорбирующей высокомолекулярные асфальто-смолистые соединения, что давало более качественный продукт. С 1920-х — 30-х годов постепенно начинает получать распространения очистка масел селективными растворителями (фенольная, фурфурольная), которая позволяла получать масла ещё более высокого качества, в первую очередь — обладающие более высокой стабильностью.
Тем не менее, даже наиболее качественные масла тех лет при работе в мало-мальски форсированных моторах ввиду своей низкой термоокислительной стабильности очень быстро окислялись, особенно при работе в зоне поршневых колец, что вызывало накопление в двигателе высокотемпературных (лаки, нагары) и низкотемпературных (шламы) отложений, закоксовывание (пригорание) поршневых колец, а также коррозию постелей коренных подшипников коленчатого вала из-за накопления в масле образующихся при его окислении органических кислот. Накопление отложений, в свою очередь, приводило к снижению компрессии, ухудшению теплоотвода, повышению износа и целому ряду других негативных явлений. Само масло быстро старело из-за накопления в нём загрязнений и продуктов окисления и износа, причём загрязнения в его составе быстро слипались в крупные асфальто-смолистые частицы, резко затрудняющие фильтрацию. Поэтому интервалы между заменой масла в двигателе были очень малы — менее 1000 км пробега, а в авиации — несколько десятков часов. Систему смазки двигателей приходилось периодически промывать маловязким (веретённым) маслом, а сам двигатель — регулярно разбирать для удаления отложений в камере сгорания, на поршнях и в масляном картере. Особенно большие проблемы возникали при эксплуатации дизельных двигателей, в которых из-за более жёсткого теплового режима особо остро стояла проблема закоксовывания поршневых колец и потери компрессии, что в случае дизеля, в котором воспламенение рабочей смеси происходит за счёт её сжатия, приводило сначала к резкому ухудшению пусковых свойств, а затем и полной потере работоспособности. Конструктивные меры, вроде использования принудительного масляного охлаждения днищ поршней специальными форсунками, помогали мало.
Основной мерой борьбы с закоксовыванием колец и образованием отложений стало легирование масел присадками — введение в базовое масло специальных химических соединений для улучшения его свойств в периоды эксплуатации и хранения. Первые масла с присадками появились в начале — середине 1930-х годов и предназначались именно для дизельных моторов. Считается, что первую коммерческую присадку к моторному маслу выпустила в 1935 году компания Chevron под брендом Oronite, это была детергентная, или моющая, присадка на основе фосфонатов, препятствующая появлению отложений на поршневых кольцах дизельных двигателей, работающих в тяжёлых условиях (моющими свойствами моторного масла называется его способность сохранять чистоту поршня и поршневых колец, а не отмывать уже существующие отложения).
Впоследствии появились и другие типы присадок к смазочным маслам: противоокислительные, предотвращающие окисление масла; противоизносные и противозадирные, уменьшающие износ деталей двигателя, работающих без смазки под давлением, в условиях граничного трения, вроде кулачков распределительного вала и толкателей клапанов; противокоррозионные (ингибиторы), замедляющие коррозию вкладышей подшипников скольжения; противопенные, предотвращающие повышенное вспенивание масел, вызванное введением в него присадок; и другие.
Важнейшее значение имело также появление диспергирующих присадок (диспергентов), предотвращающих выпадение содержащихся в масле загрязнений в осадок и образование в нём крупных смолистых частиц, способных закупорить масляную магистраль или поры фильтрующего элемента, что позволило применить в системе смазки двигателя полнопоточный масляный фильтр, через который при каждом обороте проходило 100 % масла, содержащегося в системе. Это существенно улучшило его очистку и предотвратило накопление загрязнений в системе смазки, бывшее неизбежным при использовании неполнопоточных фильтров, с которыми до 90 % масла возвращалось в систему без очистки. В результате интервал между заменами масла в двигателе удалось увеличить в несколько раз — с 1…2 до 6…10 тыс. км пробега (при нормальных и лёгких условиях эксплуатации).
Присадки-депрессоры позволили создать зимние масла, сохраняющие текучесть при низких температурах, а полимерные модификаторы вязкости (VII) сделали возможными всесезонные моторные масла, сохраняющие свои свойства в широком диапазоне температур и сочетающие низкую температуру застывания с высокой высокотемпературной вязкостью.
Широкое распространение масел с присадками на Западе произошло после Второй мировой войны, что было связано в частности с широким распространением новых, более форсированных и быстроходных двигателей, рассчитанных на ставшие доступными в те же годы высокооктановые бензины и требовавших более совершенных смазочных материалов. Лучшие моторные масла конца сороковых годов (категории Heavy Duty, для тяжёлых условий работы в двигателе) содержали противоизносную, противоокислительную, моющую и диспергирующую присадки. Большинство двигателей, спроектированных в Западной Европе и Америке после середины пятидесятых годов, уже не могли работать на чистых минеральных маслах без присадок, или допускали работу на них лишь при очень благоприятных условиях эксплуатации.
В СССР выпуск масел с присадками (с буквой «п» в обозначении — например, АСп−5 с присадкой ЦИАТИМ-331, а также ряд специальных масел) был налажен в начале пятидесятых годов по ГОСТ 5303-50 «Масла автомобильные с присадкой. Технические условия». Широкое распространение они получили несколько позже, после появления массовых моторов, рассчитанных на современные смазочные материалы. Например, если для двигателей «Победы», «Волги» ГАЗ-21 и «Москвича-407» основным смазочным материалом всё ещё было простое машинное масло (масла с присадками указывались лишь как возможные аналоги), то для «Москвича-408» с более форсированным мотором производителем уже настоятельно рекомендовалось использование масла М8Б / АС-8 с присадкой, а машинного масла — только в крайнем случае, с предупреждением о возможности повышенного нагарообразования и закоксовывания поршневых колец при работе на нём.
Со временем вместо присадок, выполняющих какую либо одну функцию, стали появляться присадки комплексные, или многофункциональные, по своему функционалу заменяющие сразу несколько обычных. Многофункциональные присадки могут представлять собой как смесь присадок, так и сложные органические соединения, способные выполнять сразу несколько функций за счёт наличия в их составе полярных функциональных групп, серы, фосфора, металлов. Например, разработанная в СССР присадка ВНИИ НП-360 (продукт взаимодействия алкилфенолята бария и диалкилфенилдитиофосфата цинка в соотношении 2,5:1,0) обладала одновременно антикоррозионными, антиокислительными, противоизносными, моющими (детергентными) и диспергирующими (разделяющими) свойствами; присадка ДФ-11 обладала противоизносным, моющим, противоокислительным и противокоррозийным действием; и так далее. В настоящее время практически все присадки к моторным маслам являются комплексными.
Наряду с положительным эффектом, появление масел с присадками поначалу принесло и немало проблем. Так, первые масла с присадками, в особенности — с моющими на основе фосфонатов, имели высокую зольность — до 3…4 %. В двигателях тех лет, ввиду особенностей конструкции и технологии производства допускавших большой расход масла «на угар», использование масел с присадками в некоторых случаях приводило к повышенному нагарообразованию из-за выгорания последних, в свою очередь ведущему к повышению износа цилиндро-поршневой группы, нарушению температурного режима камеры сгорания — вплоть до оплавления или прогорания поршней, и (в бензиновых двигателях) возникновению калильного зажигания. Из-за этого многие владельцы автомобилей в те годы даже избегали масел с присадками, предпочитая хорошо очищенные «обычные» масла (советское СУ / И-50, американское Regular / ML и аналогичные), почти не оставлявшие нагара. По той же самой причине очень долгое время избегали применения масел с присадками в авиации (там проблема окисления масла решалась его очень частой, после каждого вылета, заменой) и для двухтактных двигателей, в которых смазочное масло полностью сгорает вместе с топливом, ввиду чего должно обладать особой чистотой (отдельные производители двухтактных моторов до сих пор запрещают использование в них масел с присадками).
Некоторые присадки также оказывались коррозионно-активными по отношению к определённым материалам, использовавшимся в двигателях того времени — например, к некоторым сортам баббита (антифрикционного сплава на основе свинца), которым в те годы заливали постели подшипников коленчатого вала. Так, нафтенаты и стеараты металлов, являющиеся эффективными детергентами (моющими присадками), также обладали способностью повышать окисление масла и коррозионной активностью. В частности, присадка ЦИАТИМ-330 (НАКС) на основе нафтенатов кобальта, обладавшая высокими для своего времени моющими и антикоррозийными свойствами и использовавшаяся в ряде специальных масел для легковых автомобилей ЗИС, оказалась агрессивной по отношению к сплаву, использовавшемуся в подшипниках двигателей автомобилей «Москвич», в результате чего её использование в их двигателях было запрещено. Зачастую в составе комплексной присадки одни компоненты были необходимы для нейтрализации вреда от других.
Тем не менее, в целом применение присадок сыграло определённо положительную роль, позволив совершить резкий скачок в моторостроении за счёт внедрения в массовую эксплуатацию более эффективных и обладающих более высокими характеристиками форсированных двигателей, высокоборотных дизелей, и т. д., а также — резко упростить их обслуживание.
Так, при испытании моющей способности масла по способу ПЗВ (см. ниже) масла без присадок обычно дают лакообразование, оцениваемое в 5..6 и более баллов, что соответствует очень сильному покрытию поршня лаковыми отложениями, а хорошо очищенные масла — 3,5…4 балла. С моющей присадкой даже масла сравнительно низкого качества дают лакообразование не более 2…2,5 баллов, а хорошо очищенные (например, авиационное МК-22 с присадкам НАКС или Santilube-110) — 0,5…1 балл и менее, то есть, поршень остаётся практически чистым. При моторных испытаниях на двигателе ГАЗ-51 (тихоходном и малосклонном к образованию отложений), масло АС-9,5 (средневязкое селективной очистки без присадок) давало лакообразование в 3 балла, то же масло с добавлением моющей присадки — 2…2,5 балла, а с многофункциональной присадкой — не более 1 балла, при этом полностью сохранялась подвижность маслосъёмных колец.
В большинстве случаев на рынок поставляются не одиночные присадки, а готовые композиции, или пакеты, присадок (additive packages), состав которых гарантирует отсутствие антагонистического эффекта между отдельными составляющими пакета. Содержание присадок в товарном масле обычно составляет до 25 %. На маслосмесительные заводы присадки поставляются в виде раствора в минеральном масле с содержанием активного вещества порядка 50 % (в синтетических маслах большая часть присадок не растворяется, или растворяется плохо).
Как правило, примерно половину пакета присадок составляет диспергирующая присадка (диспергент), которая диспергирует содержащиеся в масле загрязнения, то есть, поддерживает их в дисперсном состоянии мелкой взвеси, не давая выпасть в осадок или слипнуться в крупные частицы, способные забить масляный фильтр. Это делает систему «масло — грязь» очень удобной для очистки, позволяя осуществлять её постоянную 100%-ю фильтрацию. Из второй половины примерно две трети составляет моющая присадка (детергент, ПАВ), предотвращающая появление отложений на деталях двигателя, и, в какой-то степени, удаляющая уже имеющиеся (но не твёрдые лаковые отложения и нагары). Эти присадки при работе масла в двигателе расходуются быстрее всего. Оставшиеся проценты делят между собой противоизносные, противоокислительные, притивопенные и прочие присадки.
К настоящему времени рынок присадок к моторным маслам практически полностью поделен между крупными транснациональными корпорациями — так, примерно 40 % моторных масел в мире готовятся на пакетах присадок компании Lubrizol, и ещё примерно столько же — компании Infineum. На остальных игроков (Chevron Oronite, ТСМ Afton Chemical, British Petroleum, ВНИИ НП, НПП «КВАЛИТЕТ» и другие) приходится менее 20 % рынка. Это привело к высокой степени стандартизации в данной области — по сути большинство современных моторных масел в рамках одной категории отличаются лишь использованным при их приготовлении базовым маслом и местом изготовления, в то время как пакеты присадок используются весьма схожие по составу или даже полностью идентичные. Только очень небольшое число компаний по всему миру предлагает действительно уникальные и инновационные продукты в данной области.
Первые применимые на практике синтетические моторные масла были созданы в Германии в годы Второй мировой войны для авиации и военной техники, это были масла на основе высокомолекулярных углеводородов — полиалкиленгликолей (PAG), получаемых в результате процесса Фишера — Тропша. Параллельно велись разработки синтетических масел на основе сложных эфиров для использования в реактивных авиационных двигателях. Примерно в те же годы синтетические моторные масла на основе PAG стали использоваться армией США для техники, работающей в арктических условиях.
В 1946 году National Carbide Company были представлены первые коммерческие синтетические моторные масла на основе PAG.
В 1966 году французская фирма Motul представила моторное масло Century 2100, содержащее синтетическое компоненты («полусинтетическое»), а в 1971 — полностью синтетическое моторное масло Century 300V.
В 1972 году Американский институт нефти (API) впервые официально одобрил синтетическое масло марки Amsoil, созданное на основе сложных эфиров (диэстеров). Однако масштабы его выпуска оставались очень скромными.
Интерес к синтетическим смазочным материалом резко подстегнул нефтяной кризис начала семидесятых годов. В 1974 году нефтяной гигант Mobil вывел на рынок синтетическое масло стандарта SAE 5W-20 на базе полиальфаолефинов (ПАО), созданное на основе опыта компании в области масел для реактивной авиации и получившее название Mobil 1. Тем не менее, из-за высокой цены и других проблем синтетические масла не получили широкого распространения вплоть до следующего десятилетия.
Так, самые первые моторные масла на основе ПАО при контакте с некоторыми типами эластомеров, используемых при производстве сальников, вызвали потерю ими эластичности и уменьшение в объёме, тем самым провоцируя течь масла из двигателя. Впоследствии производители учли этот недостаток и стали добавлять к базовому маслу на основе ПАО небольшое количество сложных эфиров либо алкилированных нафталинов, которые вызывали обратный эффект — «набухание» полимерных уплотнений, тем самым восстанавливая их качества и герметичность; учли проблему совместимости и производители самих сальников, массово внедрив использование фторкаучука. Не всегда удачным оказывался и подбор производителями синтетических масел используемых в них пакетов присадок.
Параллельно улучшается и технология подготовки традиционных минеральных моторных масел, в частности, получает распространение гидроочистка базовых масел, снижающая содержание в них сернистых соединений и прочих посторонних примесей, за счёт чего повышается химическая стойкость и снижается коррозионная активность.
В 1980 году Mobil представила синтетические масла Mobil 1 нового поколения стандартов SAE 5W-30 и 15W-50.
В начале девяностых годов синтетические моторные масла начинают появляться в линейках продукции компаний Chevron, Valvoline, Castrol, Texaco, Pennzoil и других. При производстве минеральных масел получает массовое распространение двухступенчатый гидрокрекинг.
К середине девяностых годов все ведущие производители смазочных материалов стали предлагать в своём ассортименте полностью синтетические моторные масла, и этот сегмент рынка продолжает активно расти вплоть до настоящего времени. Тем не менее, до сих пор большая часть моторных масел, используемых в мире, имеет минеральное происхождение, включая так называемые гидрообработанные и гидрокрекинговые масла высокой степени очистки.
