Научные факты

Моющие присадки в моторных маслах

Функции, состав и типы моющих присадок. Сравнение характеристик и тестирование детергентов
Время чтения: 10 мин.
До 1930-х г. г. моторные масла не содержали функциональных присадок. Современные масла состоят из нескольких десятков различных компонентов. 45−50% производимых присадок приходится именно на моющие агенты. Разбираемся чем отличаются моющие присадки и почему TBN в описании масла не характеризует моющие свойства масла.


1

Функции моющих присадок

Моторные масла состоят из базовых масел и присадок. Присадки добавляют, чтобы улучшить свойств базовых масел.

Базовые масла обладают природными свойствами: вязкость, индекс вязкости, низкотемпературные свойства и стойкость к окислению.

Свойства, которые добавляют присадки: противоизносные, противокоррозионные, способность очищать трущиеся поверхности и поддерживать нежелательные материалы во взвешенном состоянии.

Tilda Publishing
Загрязнения образуются в масле, когда побочные продукты сгорания топлива (гидропероксиды и свободные радикалы) прорываются в обход поршневых колец или через них в масло. Эти вещества являются химически активными и инициируют разложение масла.
Продукты окисления термически нестойки и разлагаются на высокополярные вещества. Они отделяются от масла, образуют отложения на поверхностях и закупоривают каналы малого сечения.
Условия скольжения в таких условиях трущихся поверхностей ухудшаются. Масло поступает к узлам в недостаточном количестве.

В смазочных материалах с хорошей стойкостью к окислению, образование нежелательных отложений замедляется.
Это объясняется высоким качеством базового масла и наличием комплекса присадок, ингибирующих окисление.

Антиокислительные, моющие и диспергирующие присадки замедляют образование отложений. Моющие присадки (или «детергенты») в основном являются солями органических кислот. Диспергирующие присадки не содержат металлов и имеют большую молекулярную массу, чем детергенты.
Шламовые отложения в двигателе
В число конечных продуктов сгорания топлива и разложения масла входят органические и неорганические кислоты, альдегиды, кетоны и другие окисленные вещества.

Кислоты предрасположены разъедать металлические поверхности и вызывать коррозионный износ. Моющие агенты, в особенности щелочные, нейтрализует кислоты с образованием солей. Хотя это и ослабляет коррозионное действие кислот, растворимость образующихся солей в масле остается низкой.

Кроме моющих добавляются диспергирующие присадки. Эти присадки имеют больший молекулярный вес и способны удерживать загрязнения во взвешенном состоянии.

Моющие агенты ограничивают ржавление, коррозию и образование смолистых отложений в двигателе. Некоторые детергенты обладают в дополнение к моющим свойствам антиокислительные и выступают как модификаторы трения.

Функции детергентов:

  • Нейтрализовать кислые побочных продукты окисления и термического разложения масла
  • Удержать нейтральные, но высокополярные окисленные вещества во взвешеном состоянии
  • Предотвратить образование высокотемпературных отложений

2

Состав и типы моющих присадок

Типы моющих присадок: нейтральные (слева) и высокощелочные (справа)
Моющие агенты являются металлическими солями органических кислот. Как и большинство других присадок, в своем составе содержат поверхностно — активные и олеофильные группы.

Детергенты имеют короткую углеводородную цепочку (в отличие от дисперсантов) с сильной полярной частью с молекулярным весом в среднем 150−300 г./моль. Наиболее часто-встречающиеся ионы металлов — кальций и магний. Натрий и барий используется реже. Дополнительные щелочные свойства моющим присадкам придают гидроксиды или карбонаты металлов, или их смесь.

Количество соединения металла может быть стехиометрическим (в точности достаточным для полной нейтрализации кислоты) или избыточным. Стехиометрические количества дают нейтральные соли, часто называемые нейтральными моющими агентами. Если металл при реакции присутствует в избытке, то образующиеся моющие агенты называются щелочными или сверхщелочными.

Нейтральные детергенты в основном имеют TBN (общее щелочное число) 90 и менее.
Сверхщелочные детергенты имеют TBN 200−500.

Большинство моющих присадок являются сверхщелочными — они содержат коллоидную дисперсию неорганического основания — каждая частица имеет ширину всего несколько нанометров и становится растворимой в масле благодаря присутствию полярных групп.

Привычными полярными группами в молекулах моющих агентов являются сульфонаты, фенолята, карбоксилаты, салицилаты.

Основными типами для моторных масел являются сульфонаты, фенолята и силицилаты. Остановимся на них подробнее.
Tilda Publishing
СУЛЬФОНАТЫ
САЛИЦИЛАТЫ
ФЕНОЛЯТА
САЛИЦИЛАТЫ
Один из самых эффективных типов моющих присадок.
По степени основности относятся к «среднему» типу.
Алкил-цепочка: линейный тип с количеством атомов углерода С14−18
Кроме высокого уровня моющих свойств обладает антиокислительными, а также выступает как модификатор трения.
СУЛЬФОНАТЫ
Один из самых распространенных типов моющих присадок.
Существует два типа: натуральные (произведены из натуральных нефтяных кислот) и синтетические (произведены из синтетических сульфоновых кислот).
Алкил-цепочка: линейный и разветвленный тип с количеством атомов углерода С18-С22
Не обладают антиокислительными свойствами.
ФЕНОЛЯТА
Второй по объемам потребления детергент.
Алкил-цепочка: количество атомов углерода С12-С24 (более длинная цепь предпочтительнее для сверхщелочных детергентов).
Обладают дополнительными антиокислительными свойствами (но не выступают как модификаторы трения).

3

Сравнение различных типов детергентов

В таблице приведено сравнение различных типов детергентов по эксплуатационным характеристикам. Детергенты иногда комбинируют, чтобы добиться желаемого эффекта.
1-«наилучший» результат 2— «средний» результат 3-«худший» результат

Сульфонаты — 23 балла, фенолята — 17 баллов, салицилаты — 13 баллов.
По сравнению с сульфонатами и фенолятами, салицилаты обладают лучшими характеристиками

4
Оценка моющих свойств масел
Очень часто на различных форумах можно встретить выводы об оценке эффективности моющих свойств моторных масел.

Посетители форума делают выводы на основе количества Ca и/или Mg или уровне TBN в свежем продукте. TBN - это общее щелочное число. Данная оценка является некорректной. Вот три довода:
      Стандартные лабораторные анализы не дают полной информации о типе детергента. Ионы Ca, Mg содержатся во всех современных моторных маслах. Конкретный тип детергента (салицилат, фенолят, сульфонат или их комбинация и пр.) определить с помощью доступных тестирований невозможно. Компании-присадочники производят несколько типов детергентов одного типа, например, салицилатоного. Все формы данного детергента отличаются между собой.
      Значение TBN свежего моторного масла не является оценкой его моющих свойств. Щелочное число жестко регламентируется действующими отраслевыми спецификациями и ограничивается параметром сульфатной зольности моторного масла. «Сульфатная зольность» — количество золы, остающееся после обработки детергента серной кислотой и последующего сжигания. При оценке эффективности масел и в том числе его отбраковке во время работы, отслеживается именно скорость снижения уровня TBN.
      Эффективность моторных масел оценивается в условиях, максимально приближенных к реальным, т. е. при работе в ДВС. Для такой оценки разработаны целые серии стендовых и полевых испытаний моторных масел.
      Значение TBN (общее щелочное число) свежего моторного масла не является показателем качества моющих свойств.
      Любой стандарт API, ACEA, ILSAC или спецификации автопроизводителей (MB, BMW, VAG и пр.) включают набор стендовых испытаний в реальных двигателях с усложненными режимами работы. Например, только спецификация ACEA A3/B4−16 cодержит 9 стендовых испытаний.

      Пример оценки моющих свойств моторных масел.
      Стендовые испытания по оценке эффективности масла DAIMLER M271
      ТЕСТ «DAIMLER M271»
      Стендовые испытания проводятся в бензиновом 4-х цилиндровом двигателе M271 E-18ML (1.8 литра, 16-ти клапанный, турбированный, с распределенной системой газораспределения). Тест проводится в течение 250 мч., после чего происходит вскрытие двигателя и оценивается количество отложений по специальной шкале.
      Данный тест можно встретить в требованиях спецификаций ACEA и MB.

      ТЕСТ «Sequence IIIH»
      Входит в требования стандартов API и ILSAC.
      Тестирование проводится в двигателе Chrysler Pentastar 3.6L на протяжении 90 мч. при увеличенной температуре в 151 градусов. После чего проводится инспекция двигателя по оценке высокотемпературных отложений на поршне, износу газораспределительного механизма и оценке по загустеванию масла в ходе испытаний.

      ТЕСТ «Sequence IIIG»
      Входит в требования стандартов API и ILSAC.
      Для тестирования используется бензиновый двигатель 3.8 л GM V6. Испытания проводятся в течение 100 мч. при повышенной скорости и нагрузке. После чего оценивается степень повышения вязкости масла, отложения на поршне, износ газораспределительного механизма и объем расхода масла.

      Требования к моющим и экологическим свойствам моторных масел с каждым годом и новой спецификацией значительно возрастают. Это требует разработки новых технологий моющих агентов.
      Коротко о главном
      1
      Основные загрязнения в моторном масле — продукты неполного сгорания топлива. Они прорываются в масло через ЦПГ. Все компоненты моторных масел подвержены окислению.
      2
      Моющие присадки нейтрализуют кислые продукты окисления и термического разложения и предотвращают образование отложений в двигателе.
      3
      Моющие агенты — металлические соли органических кислот. Основные полярные группы — салицилаты, сульфонаты и феноляты.
      4
      Моющие свойства моторных масел не оценивают по элементному составу или TBN. Масла тестируют в стендовых испытания в реальных условиях работы ДВС.
      Источники:

      • Leslie R. Rudnick "Lubricant Additives Chemistry and Applications"
      • Schilling, A. Motor Oils and Engine Lubrication. London: Scientifi c Publication
      • Rizvi, S.Q.A. Additives: chemistry and testing. In E.R. Boozer, ed Tribology Data Handbook—AnExcellent Friction, Lubrication, and Wear Resource. Boca Raton, FL: CRC Press
      • Marika Torbacke "Lubricants"
      Если cтатья вам понравилась, расскажите о ней друзьям. Спасибо!

      Читай также:

      Made on
      Tilda