Як роблять моторне масло

Відразу за дверима в будівлі дослідного центру виявляється справжня автозаправка Mobilgas з нудьгуючим манекеном-автозаправником, застиглим в очікуванні клієнтів. Його явно занесло сюди не без допомоги машини часу з першої половини XX століття. «Давно тут сидить!» - з посмішкою коментує один з проходять повз співробітників. Ось вже точно - справжній безмовний свідок технологічної революції. Насправді, за словами нинішнього керівника підрозділу моторних масел Mobil 1 Науково-дослідного центру ExxonMobil (ExxonMobil Research & Engineering) Дуга Декмана, ця революція давно вже набула сталого характеру: «Кожні кілька років виробники автомобільних двигунів, підганяли більш жорсткими екологічними вимогами, видають нам нові специфікації на моторні масла, а нам доводиться постійно працювати на випередження, орієнтуючись на все більш жорсткі стандарти ».

Масло, яке прийшло з холоду

У 2005 році Білл Максвелл, тодішній керівник групи розробки моторних масел Mobil 1, повідав «Популярною механіці» історію появи цього революційного продукту на ринку ( «Масло не для бутерброда», «ПМ» № 4'2005). Перше синтетичне масло компанії Mobil Oil (ExxonMobil) на основі поліальфаолефінів (ПАТ), що вийшло в 1974 році, буквально перевернуло автомобільну промисловість. В першу чергу воно призначалося для холодних умов, зокрема для Аляски. Запуск в мороз вважається важким випробуванням для будь-якого автомобільного двигуна, і масло, зберігало свою плинність навіть при дуже низьких температурах (при яких традиційне мінеральне масло застигало), було високо оцінено по всьому світу. З іншого боку, при підвищенні температури масло не повинно занадто розріджувати, інакше воно не зможе утворити захисну плівку на деталях двигуна. Тому один з важливих компонентів пакету присадок, модифікатор в'язкості (полімерний загусник), - це та сама речовина, якому всесезонні масла зобов'язані своєю «комбінованої» в'язкістю.

Довгі молекули згущувача згортаються в клубок при низькій температурі, що ніяк не позначається на плинності маловязкой основи. Зате при підвищенні температури «клубки» розгортаються, при цьому в'язкість масла значно підвищується.

Однією з характеристик базових моторних масел є в'язкість (чим менше цей показник, тим простіше прокачувати масло по вузьких трубках і каналах). Для вимірювання т.зв. кінематичної в'язкості, яка є відношенням динамічної в'язкості до щільності, використовується стандарт ASTM (American Society for Testing and Materials) D445, згідно з яким вимірюється кількість масла, що стікає під дією сили тяжіння через капілярну секцію скляної трубки. До речі, багато удосконалення цих приладів були зроблені саме в лабораторіях ExxonMobil: якщо стислість - сестра таланту, то необхідність явно знаходиться в кровній спорідненості з винахідливістю.

Висока в'язкість в гарячому стані важлива для захисту важконавантажених моторів, особливо спортивних, проте зараз, як каже Дуг Декман, у автомобільній промисловості інші пріоритети: «Основна сучасна тенденція - це перехід від багатолітрових атмосферних двигунів до компактних малолітражних моторів збільшеною ефективності, з прямим уприскуванням, турбонаддувом, гібридними трансмісіями, системами старт-стоп і відключенням окремих циліндрів. Для таких двигунів, «заточених» під економію палива і зниження викидів токсичних та парникових газів, потрібні низковязкие масла - SAE0w20, 5w20. Зараз це найменша в'язкість, в стандарті SAE просто не передбачено менших значень. Тому в даний час в середовищі фахівців обговорюють пропозиції про введення номенклатури для ультранизьких вязкостей моторних масел. Це ставить перед нами іншу проблему - захисту деталей двигуна при високих температурах, яку ми, втім, цілком успішно вирішуємо ».

Методом проб і знахідок

Список компонентів в складі моторного масла не є секретом. Основа - це базове масло, мінеральне (отримане тим чи іншим способом з нафти) або синтетичне (ExxonMobil використовує ПАТ). До базового масла додаються пакети присадок, які закуповуються у спеціалізуються на цьому компаній, таких як Lubrizol, Infineum, Ethyl або Oronite. Все це добре відомі речовини, а ось їх кількість в складі готового масла і є головна комерційна таємниця.


рідкісна професія

Після приміщень, заставлених новітньої вимірювальною апаратурою, лабораторія випробувального підрозділу, де працює Баррі Хіллс, справляє дивне враження. Тут немає ні спектрометрів, ні віскозиметрів екзотичних конструкцій, ні хроматографов, ні інших зразків високих технологій. Баррі - старший експерт з оцінки нагару і лакових відкладень на поршнях, а для своєї роботи він використовує лише лупу з підсвічуванням і утримувач поршнів, оскільки ніякі вимірювальні прилади не здатні виконати це завдання. Візуальна оцінка вимагає великих знань і дуже високої кваліфікації (яку до того ж періодично потрібно підтверджувати), оскільки, щоб вивести підсумкову цифру за десятибальною шкалою, доводиться брати до уваги близько двохсот різних показників чистоти поршнів. У дослідних підрозділах ExxonMobil експертів з такою кваліфікацією всього троє, так що це по-справжньому рідкісна професія. «Настільки рідкісна, - каже Баррі, - що коли ми прямуємо на якусь конференцію, компанія навіть забороняє нам летіти в одному літаку. Адже підготовка подібного кваліфікованого фахівця займає близько 5 років ».

Щоб підібрати баланс присадок, проводяться десятки тисяч експериментів, вимірювань і випробувань в лабораторіях, які займають чималу частину величезної будівлі. Тут на найсучаснішому обладнанні змішують базові масла, підбирають пакети присадок і окремі компоненти: модифікатори в'язкості, що забезпечують оптимальну плинність масла при високих і низьких температурах, протизносні і протизадирні присадки, що захищають деталі від зносу, модифікатори тертя, що сприяють зниженню витрати палива, детергенти і дисперсанти, які очищають поверхню двигуна від нагару, а також антиоксиданти, що запобігають окислення масла, і антикорозійні присадки. І базове масло, і готові склади - «кандидати» перевіряються на сумісність з різними матеріалами - з металами (сталь, мідь, алюміній), полімерами і гумою, з яких складаються сальники і ущільнювачі (смужки гуми витримують в нагрітому до 150 ° C маслі, після чого вимірюють набухання, еластичність і розривне зусилля).

Після вимірювання основних властивостей масло тестується на моторних стендах. Стандартів ASTM (American Society for Testing and Materials) передбачено цілий ряд таких випробувань, причому досить жорстких. Наприклад, для сертифікації масла за стандартом API SM необхідно провести випробування за програмою ASTM Sequence IIIG, яка передбачає роботу 3, 8-літрового двигуна General Motors V6 Series II зразка 1996/1997 року протягом 100 годин на 3600 об / хв з потужністю в 125 л .з. і температурою масла 150 ° C. При цьому кожні 20 годин перевіряється ряд властивостей моторного масла, а після завершення циклу двигун розбирається для оцінки зносу і ступеня нагару на поршнях.

Для тестів на бігових барабанах в автомобілі встановлюють дистанційне керування акселератором, що дозволяє за певною програмою реалізувати різні режими руху. Всі дані контролюються з операторського пульта управління.

Тести в натурі

Поруч з будівлею дослідного центру розташований гараж, навпроти якого встановлені на бігових барабанах кілька автомобілів. За рік вони, чи не з'їжджаючи з місця (не рахуючи буксирування в гараж і назад на барабани), намотують по сто тисяч миль (приблизно 160 000 км). Управляються вони комп'ютером, який за заданою програмою натискає на акселератор, щоб імітувати різні цикли їзди. Оскільки випробувальний майданчик знаходиться на відкритому повітрі, це дуже близько імітує реальні умови до цієї зміною погоди.

Після всіх лабораторних вимірювань різних фізичних характеристик як базового масла, так і готового моторного масла, що включає пакети присадок, і випробувань його впливу на різні матеріали (метали, полімери, гума), настає через випробувань на моторних стендах. Двигуни витримують до шести капремонтів, але взагалі в Полсборо це витратний матеріал.

Втім, клімат в Полсборо не надто суворий: взимку середня температура тримається близько нуля, влітку - близько 30 ° C. Суворі кліматичні випробування моторного масла в ExxonMobil проводять в іншому місці - в жаркому в усіх відношеннях Лас-Вегасі, де кілька випробувальних машин працюють в якості таксі. «Саме там ми зараз відчуваємо наші моторні масла ультранизької в'язкості, - говорить Дуг Декман. - І отримуємо дуже багатообіцяючі результати: спостерігається і економія палива, і цілком достатній захист деталей двигуна ».


магічні числа

Однією з важливих завдань, що стоять перед розробниками, є збереження мастильних і захисних властивостей моторних масел в широкому діапазоні температур. Ця характеристика найкраще відома споживачам, оскільки вона знаходиться на упаковці будь-якого моторного масла у вигляді специфікації SAE (Society of Automotive Engineers - Суспільство автомобільних інженерів США), яка описує в'язкісно-температурні властивості і складаються (для всесезонного масла) з двох чисел. Перше число (з буквою W - Winter) позначає зимову в'язкість - чим вона менша, тим краще буде текти масло при запуску двигуна при низьких температурах. Друге число означає в'язкість в гарячому стані, яка характеризує здатність масла залишатися досить густим при високій температурі. Чим більше це число, тим товщі буде масляна плівка на деталях гарячого двигуна, і тим краще він буде захищений, особливо в умовах інтенсивного тепловиділення, характерного для «крутильних» спортивних моторів.

На фото: термометри, занурені в пробірки зі зразками мастильних матеріалів, вимірюють температуру застигання масла.

недосяжний ідеал

Кілька десятиліть тому ніхто не міг навіть уявити собі, що успіхи в галузі матеріалознавства та хімії уможливлять існування мастильних матеріалів, розрахованих на весь термін служби механізму. А зараз трансмісійне масло в коробку передач заливається один раз - на заводі.

Чи може подібна ситуація стати реальністю для моторного масла? «Для нас, хіміків, вічне масло, яке ніколи не потрібно міняти і яке буде працювати протягом усього терміну служби автомобіля, - це як Святий Грааль для лицарів Середньовіччя, - сміється Дуг Декман. - Не дивлячись на значне збільшення сервісних інтервалів - за останні два десятиліття в кілька разів! - я не думаю, що таке принципово можливо, поки ми використовуємо двигуни внутрішнього згоряння. Зменшення розмірів двигуна і одночасно збільшення його ефективності за рахунок використання ряду конструктивних рішень, таких як прямий впорскування, турбонаддув і інші, призводять до підвищення економічності і одночасно роблять двигун високонавантажених. Це сприяє швидкій деградації моторного масла - воно швидко «старіє» за рахунок великої кількості вільних радикалів, що утворюються в зоні з високою температурою і компресією. Крім того, в маслі з'являється абразивний зола, яка веде до зносу двигуна. Так що поки ми не підемо від двигунів внутрішнього згоряння, а це явно відбудеться не скоро - «вічного» моторного масла людству, на жаль, побачити не судилося ».

Стаття «Правила маслоделов» опублікована в журналі «Популярна механіка» (№7, Грудень 2012).

Рекомендуємо

Квантова сутра: Фізики і клірики
2019
Як роблять бойових роботів
2019
«Папу Римського» посадили в УАЗ
2019