Bilim.techО проекте

Минеральные и синтетические масла

Стоит ли синтетика втрое дороже минерального масла? Сравни масла групп I, III, IV и V на морозе и в жару, а потом проживи год самосвала и посмотри, какое выйдет дешевле.

01 Что это такое

Моторное масло на 75–90 % состоит из базового масла, остальное присадки. Минеральное, гидрокрекинговое и синтетическое масла отличаются именно базой: тем, из каких молекул она собрана.

Минеральную базу берут прямо из нефти: отгоняют нужную фракцию и вымывают растворителями часть серы, смол и ароматики. Молекулы в ней остаются разные: длинные и короткие, прямые и ветвистые, с кольцами и атомами серы. Гидрокрекинг идет дальше: при высокой температуре и давлении водорода молекулы рвутся и перестраиваются, сера уходит почти вся. Синтетическое масло собирают с нуля: полиальфаолефины (ПАО) сшивают из одинаковых коротких молекул децена, эфиры получают из кислот и спиртов. Чем ровнее молекулы, тем дольше масло течет на морозе, меньше испаряется в жару и медленнее стареет. Откуда берутся нефтяные фракции, смотри в химии: «Нефть и ее переработка», а как работают присадки: «Смазочные материалы».

базовое масло 75–90 %присадкиМинеральное, гр. Iочистка растворителямиГидрокрекинг, гр. IIIперестроено водородомПАО, гр. IVсобрано из одинаковыхSSразная длина, сера, ароматиканасыщенные, серы почти нетвсе молекулы одинаковыеатом серыароматическое кольцоцепь: в каждом изломе атом углерода
Схема, не настоящий масштаб. У минерального масла молекулы разные: короткие испаряются, длинные с парафином густеют на холоде, сера и кольца быстрее окисляются. У ПАО молекулы одинаковые, поэтому все свойства ровнее.
гр.
Группа API. Американский институт нефти делит базовые масла на пять групп по сере, доле насыщенных молекул и индексу вязкости. Группы I–III делают из нефти, IV и V синтезируют.
ИВ
Индекс вязкости. Насколько вязкость меняется с температурой. Чем он выше, тем меньше масло густеет на морозе и жиже горячим. Подробно в теме «Выбор масла по вязкости и температуре».
ПАО
Полиальфаолефины. Синтетическая база из одинаковых разветвленных молекул. В ней нет серы, парафина и колец, поэтому она течет при −50 °C и почти не испаряется.
I

Нефтяная фракция, очищенная растворителями

сера
больше 0,03 %
насыщенные
меньше 90 %
ИВ основы
80–120
II

Гидроочистка: серу и ароматику снимают водородом

сера
≤ 0,03 %
насыщенные
≥ 90 %
ИВ основы
80–120
III

Гидрокрекинг: молекулы перестроены водородом

сера
≤ 0,03 %
насыщенные
≥ 90 %
ИВ основы
≥ 120
IV

ПАО: собраны из одинаковых коротких молекул

сера
нет
насыщенные
100 %
ИВ основы
125–145
V

Все остальное: эфиры, полигликоли, нафтеновые

сера
по-разному
насыщенные
по-разному
ИВ основы
0–200

Полусинтетика это смесь минеральной базы с синтетической или гидрокрекинговой, обычно 20–40 % синтетики. А надпись «синтетика» на канистре еще не значит ПАО: в части стран так законно называют и масло на гидрокрекинговой базе группы III, начиная с решения по спору производителей в США в 1999 году. В других странах правила строже. Что внутри на самом деле, пишут в паспорте безопасности и спецификации масла.

02 Опыт
Выбери масла. Морози, грей, проживи год. БАЗОВЫЕ МАСЛА
ТРИБОЛОГИЯ

Окупится ли синтетика на руднике?

Рис. 9.8
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ
03 Формулы по буквам

Индекс вязкости, старение и цена года

Три расчета, на которых держится выбор базы: насколько масло боится холода, как быстро оно стареет от жары и сколько стоит год работы машины. Числа берутся из опыта.

Насколько масло боится температуры?

ИВ = L − UL − H · 100

Масло сравнивают с двумя эталонами, у которых при 100 °C такая же вязкость. Эталон L сильно густеет на холоде, ему дали ИВ 0. Эталон H густеет мало, ему дали ИВ 100. Чем ближе вязкость масла при 40 °C к эталону H, тем выше индекс. Для масел с ИВ выше 100 стандарт ASTM D2270 дает уточненную формулу через логарифмы.

U
вязкость испытуемого масла при 40 °C, мм²/с
L
вязкость при 40 °C эталона с ИВ 0, мм²/с, из таблицы стандарта
H
вязкость при 40 °C эталона с ИВ 100, мм²/с, из той же таблицы

Сколько проживет масло в жару?

t = t0 · 2−(T − T0)/10

Правило десяти градусов. Выше 60–70 °C окисление масла кислородом ускоряется примерно вдвое на каждые 10 °C, и срок службы вдвое падает. Это следствие уравнения Аррениуса: «Энергия активации и уравнение Аррениуса».

t
срок службы масла до предела окисления при температуре T, ч
t0
срок службы при опорной температуре, ч: у минерального масла меньше, у ПАО и эфиров больше
T
температура масла в картере, °C
T0
опорная температура, °C: в опыте 100 °C

Сколько стоит масло за год?

C = (V·n + Q)·p + n·(F + τ·c) + Cх

Цена литра лишь одна часть. За год масло меняют n раз, доливают то, что сгорело и испарилось, и каждый раз машина стоит. Зимой добавляются прогревы и износ при тяжелых пусках. Все затраты здесь считаются в литрах минерального масла: C показывает, сколько литров масла группы I можно было бы купить на деньги, которые уходят за год. Год на минеральном масле принят за 100 %.

V
объем картера с фильтрами, л
n
число замен в год: часы работы, деленные на интервал
Q
долив за год, л: больше у масла, которое сильнее испаряется
p
цена литра масла к минеральному: 1; 1,5; 3 и 4,7 для групп I, III, IV, V
F
фильтры и работа на одну замену, в литрах масла I
τ, c
простой на замену, ч, и цена часа простоя в литрах масла I
Cх
холодные пуски: прогревы и износ, литров масла I в год

Почему жара старит масло, а ровные молекулы держатся дольше

Масло в картере все время перемешивается с горячим воздухом. Кислород цепляется к молекулам углеводорода и превращает их в кислоты, смолы и лак. Чтобы реакция пошла, молекулам нужна энергия выше порога. Чем горячее масло, тем больше молекул его преодолевает: при 100 °C на каждые 10 °C их доля вырастает примерно вдвое. Отсюда простое правило: масло, которое при 100 °C живет 500 ч, при 120 °C проживет около 125 ч.

Слабые места минеральной базы это сера, ароматические кольца и атомы водорода у разветвлений: с них окисление начинается легче всего. У гидрокрекинговой базы таких мест меньше, у ПАО почти нет, поэтому порог энергии выше и кривая старения сдвинута вправо. Присадки-антиокислители тормозят процесс, пока не израсходуются, и в анализе масла это видно по росту окисления и вязкости: «Анализ масла».

Срок службы до предела окисления, логарифмическая шкала. Каждые 10 °C срезают его вдвое, кривые разных баз идут параллельно.
04 Где и зачем это применяют

Какое масло куда и почему по допуску

Допущения модели+

Свойства масел обобщены по группам базы и взяты типичными для готового моторного масла класса SAE 40 с присадками; у конкретной марки цифры другие, их берут из паспорта масла и спецификации. Вязкость при 40 и 100 °C, температура застывания, предел прокачки по SAE J300, испаряемость Noack, срок службы при 100 °C (минеральное 500 ч, гидрокрекинг 800 ч, ПАО 1200 ч, эфир 1400 ч) и индекс отложений заданы для каждой группы одним числом. Старение считается только по правилу «вдвое на 10 °C» без сажи, топлива и воды в масле. Цены за литр условные: за базу взят литр минерального масла, гидрокрекинговое дороже в 1,5 раза, ПАО в 3 раза, эфир в 4,7 раза. Все остальные затраты тоже выражены в литрах минерального масла. Интервал без анализа 250 ч, но не больше 80 % срока до окисления; с анализом до 80 % этого срока и не больше 400, 600, 750 и 750 ч по группам. Долив пропорционален испаряемости. Холодные пуски равномерно распределены от самой холодной ночи до температуры на 30 °C выше, но не выше 0 °C. Ниже предела прокачки двигатель прогревают 45 минут, между пределами прокачки и проворачивания пуск тяжелый и стоит 3 ч ресурса двигателя, выше 0,3 ч. Простой на замену 1,5 ч. Час простоя стоит как 117 л минерального масла у самосвала и 400 л у экскаватора, фильтры и работа на замену как 133 и 167 л, час ресурса двигателя как 5 и 6,7 л, одна проба масла как 12 л.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →