Сконструировать масло
«С чего начнем, шеф?» – такой или примерно такой вопрос задают инженеры-химики техническому руководителю компании, взявшейся за создание нового масла для именитого производителя автомобилей.
Человеку, далекому от техники, словосочетание «конструирование масла» режет уши. Он полагает, что конструировать можно лишь космические корабли, автомобили или, в крайнем случае, стиральные машины.
Однако ничего противоестественного в термине «конструирование масла» нет. Вспомните детские конструкторы, когда из набора элементов собирается и кран, и самолет, и вообще все, что душе угодно. Так и с маслом. Есть формула «товарное масло = база + присадки». Существуют химические вещества и элементы, этакие «кирпичики», из которых можно собрать любую «конструкцию».
Немного о базах
Итак, все начинается с базы. Что представляет собой традиционное минеральное базовое масло? Это субстанция, содержащая в основном длинные молекулы углеводородов различной структуры с размером цепи от 20 до 60 атомов углерода. В хорошо прогретом двигателе молекулы с длиной цепи менее 30–35 атомов испаряются из пленки масла на стенках цилиндров. Это один из путей расходования масла на угар.
При создании синтетических базовых масел химики стремятся попасть в диапазон 30–50 атомов углерода в цепи. Структура здесь более однородная, поэтому синтетические масла в сравнении с минеральными значительно меньше испаряются и менее склонны к образованию отложений.
Полусинтетические масла (вне зависимости от качества синтетических компонентов) обладают теми же недостатками, что и минеральные, – ведь они на 70–75% состоят из минеральных «слагаемых».
И несколько слов о гидрокрекинговых маслах. Для их получения используют минеральные базовые масла, подвергая несчастных жесткой обработке в присутствии катализатора в водородной среде. Причем под большим давлением и при высокой температуре.
В результате происходит глубокая реконструкция молекул минерального масла. Нафтены и ароматические углеводороды превращаются в парафины. А те по своим свойствам приближаются к полиальфаолефинам, получаемым при создании синтетических масел. Поэтому свойства гидрокрекинкового масла приближаются к свойствам синтетического. Недаром в последнее время такие масла относят к «синтетике» третьей группы.
Процесс пошел
В России создание любой продукции начинается с Технического задания (ТЗ). В других странах – тоже. Ну, может, сам документ называется иначе, но это не важно. Для простоты мы будем использовать привычное слово «задание».
Положим, производитель автомобилей или двигателей желает получить новое моторное масло. Он оформляет свои требования и направляет объемистую папку с документацией производителю моторных масел – например, крупной нефтяной компании или хорошо зарекомендовавшей себя небольшой фирме. В задании указывается класс вязкости продукта, уровень эксплуатационных свойств по известным классификациям и ряд собственных, зачастую специфических требований.
Что движет производителем автомобилей или моторов в стремлении обзавестись новым маслом? Никакого секрета: научно-технический прогресс, экологические требования и, естественно, коммерческие интересы, тесно связанные с первыми двумя факторами. «Грязный» автомобиль сегодня не продашь...
Вот примеры, красной нитью проходящие через историю мирового автомобилестроения: различные виды форсирования моторов «от Ромула до наших дней», включая резкое увеличение удельной мощности; введение турбонаддува; изобретение каталитического нейтрализатора и рециркуляции отработавших газов; и последний «писк моды» – downsizing. Все автомобильные и моторные инновации потребовали существенной модификации моторных масел – каждая на свой лад.
Процесс начинается с выбора базового масла. Заданный класс вязкости, особенно если речь идет о всесезонном продукте, позволяет сделать первый шаг. Так, масла классов SAE 0WXX или SAE 5WXX потребуют синтетической или гидрокрекинговой базы.
Если зимний класс (цифры перед W) у будущего продукта должен быть выше, то база может быть частично синтетической или даже минеральной, если это не противоречит каким-то особым требованиям. Не забудем также, что частично синтетическая или минеральная база позволит сделать новый продукт относительно недорогим.
Определившись с базой, конструкторы берутся за присадки. О них мы писали немало. Поэтому лишь напомним, что присадки бывают:
• моющие (детергенты);
• измельчающие грязь и поддерживающие ее в мелкодисперсном состоянии (дисперсанты);
• антиокислительные, предохраняющие масло от старения;
• антипенные – название говорит само за себя;
• противоизносные;
• снижающие трение (модификаторы);
• антикоррозионные (для деталей из цветных металлов);
• противоржавейные (для деталей из стали и чугуна);
• депрессорные (ограничивающие рост парафинов);
• загущающие и др.
Важно добиваться дружественности присадок, «взаимной вежливости». Иными словами, присадки не должны быть антагонистами. Допускаются нейтральные отношения, когда присадки, образно говоря, «не едят друг друга». Но лучше, если взаимодействие присадок будет синергетическим, когда действие композиции оказывается эффективнее, нежели простое суммирование действий ингредиентов.
Но вот синергетический пакет готов. Как он будет сочетаться с базой? Это тоже непростой вопрос. Например, полиальфаолефины, входящие в состав синтетической базы, плохо растворяют некоторые присадки. И тогда для повышения растворяющей способности в базу вводят сложные эфиры карбоновых кислот, диалкилбензолы и прочие вещества, имеющие полярные молекулы. Другой путь – создание композиции присадок, растворимых в полиальфаолефинах.
Конструкторы масел тщательно выбирают загущающие присадки или же их комбинации. Эти ингредиенты повышают вязкость базы при низких температурах меньше, чем при высоких. Поэтому загущенные масла при отрицательных температурах ведут себя как зимние, а в области высоких температур – как летние. Их именуют всесезонными.
Затем маслу придается гамма требуемых эксплуатационных свойств, зависящих от состава композиции, концентрации и эффективности ингредиентов. Список основных «бойцов» мы только что привели.
Температура застывания масла регулируется депрессорными присадками, которые сегодня все чаще становятся многофункциональными. Так, депрессоры класса полиметакрилатов являются еще и загустителями, а в последнее время им придают и диспергирующие свойства. Получатся, образно говоря, «три в одном».
Как уже говорилось, современные моторные масла напрямую зависят от совершенствования двигателей. На автомобили устанавливают каталитические нейтрализаторы и сажевые фильтры. Моторные масла должны быть совместимы с этими узлами и системами, поэтому в композициях присадок все более ограничивают содержание фосфора и серы. Снижают сульфатную зольность масла, которая связана с моющими присадками – детергентами.
Понимаете, к чему это мы? Требования к маслам стали противоречивыми! С одной стороны, надо повышать антиокислительные свойства, а с другой – изгонять из рецептуры фосфор. Улучшать моющие свойства, и тут же – снижать зольность...
А как же классические зольные детергенты? Тут на помощь приходит широко распространенная технология low SAPS, использующая особые детергенты – малозольные. Расшифруем этот термин: «low» – низкий; SA – это сульфатная зольность (от sulphate и ash – зола).
Все задачи так или иначе решаются. Ведущие разработчики присадок создают новые эффективные композиции, в которые вместо одной специальной присадки вводят две или три, заставляя их работать в уже упоминавшемся синергетическом взаимодействии.
Сорок тысяч «если»
Что будет, если в масло не вводить присадок? Будет плохо. Если в масле не окажется моющих присадок, то уже через десяток-другой часов работы двигателя поршневые кольца прочно залягут в канавках – извлечь их оттуда удастся, лишь сломав. Торцевой зазор окажется выбранным за счет грязи, компрессия потеряна. Словом, двигатель просто-напросто перестанет работать.
Если в масле не будет дисперсантов, при работе в режиме «stop and go» внутренности двигателя обрастут низкотемпературными отложениями (шламами).
Если исключить из пакета антиокислительные присадки, пробеги между заменами масла станут ничтожными. А ведь сегодня ведущие автомобильные компании допускают замену масла через 30–50 тыс. км – это два-три года эксплуатации для среднеевропейского автовладельца.
Если в масле не будет антикоррозионных присадок, подшипники коленчатого вала, изготовленные из цветных сплавов, попросту разрушатся.
Если в масло не вводить антиокислительные присадки, его вязкость по мере окисления будет возрастать. То, что это приведет к повышенному расходу топлива из-за роста потерь на трение, еще полбеды. Хуже другое: масло потеряет работоспособность, его пусковые свойства станут совершенно неудовлетворительными, а коррозионная агрессивность возрастет.
Чрезмерное увеличение вязкости масла даже может вызвать разрушение подшипников, особенно при холодном пуске. Кроме того, не исключаются поломки деталей привода масляного насоса. И еще: известны печальные истории, когда сильно окисленное масло (в частности, из-за введения купленных на дорожном лотке «чудо-препаратов») не сливалось из картера при открывании сливной пробки.
Но и это еще не все: окисленное масло оказывает коррозионное воздействие на антифрикционный слой вкладышей из свинцовистой бронзы. Результат очевиден: несущая способность подшипников снижается, и двигатель приходится отправлять в ремонт.
Вы не устали от бесконечных «если»? Ничего, зато теперь мы можем совсем по-другому читать буклеты с описанием моторных масел той или иной фирмы.
После создания масла, что называется, «в первом чтении», его конструкторы переходят к моторным испытаниям. Если (опять если!) все в порядке и требуемые показатели укладываются в допуски, новое масло отправляют на комплексные испытания эксплуатационных свойств по всем оговоренным в задании методикам.
Недешево обходятся разработчикам эти испытания. Например, подтверждение категории SL по API «обойдется папаше Дорсету»... впрочем, это уже выходит за рамки темы. Ограничимся коротким словом «дорого». Утешаться можно тем, что экзамены на соответствие спецификациям автомобильных концернов еще дороже. Но что такое деньги в сравнении честью марки, имиджем фирмы?
Не только химия
Моторное масло можно изучать с позиций двух прикладных наук: химмотологии и триботехники (трибологии).
Первая решает триединую задачу «топливо – масло – условия эксплуатации» применительно к двигателю и базируется на органической и неорганической химии, в частности на нефтехимии. Вторая нацелена на изучение процессов трения, износа как таковых и влияния на них смазочных материалов.
В России трибологические характеристики определяются на специальной четырехшариковой машине трения. Они нормированы стандартами и техническими условиями и служат, в частности, для контроля процесса производства масла.
За рубежом, включая Германию, широко применяется методика Института зубчатых передач и трансмиссий (FZG) при Мюнхенском техническом университете, согласно которой моторное или трансмиссионное масло испытывают в особом механизме с зубчатыми парами. О противоизносных свойствах масла судят по состоянию шестерен, питтингу и выкрашиванию рабочих поверхностей зубьев.
Продукт оценивается по так называемым «ступеням нагружения». Не вдаваясь в подробности, заметим, что в одних случаях «путевкой в жизнь» считается 10-я, а в других – 12-я ступень. Масла ведущих компаний стабильно превышают показатель в 12 ступеней.
Люди, искушенные в информационных технологиях, могут спросить: а имеется ли в распоряжении конструкторов масел достаточный набор количественных характеристик и формализованных данных? И специальный «софт»? Можно ли конструировать масла с помощью компьютера?
Да, можно. Создана обширная база данных, позволяющая вести предварительные расчеты состава масел. Компьютерные технологии наполняют понятие «конструирование масел» новым современным содержанием.
От редакции
Благодарим к.т.н. Виктора Резникова за помощь в подготовке статьи
Работайте с чемпионами!
Юрген Баумгартен – это имя навсегда вписано в историю мирового спорта. Гонщик, каскадер, он всю жизнь делал, казалось бы, невозможное. Его имя попало в книгу рекордов Гиннесса. Всего же мы встретим его там пять (!) раз. И согласитесь, по весьма значимым поводам:
1973 – проезд на мотоцикле сквозь огненный туннель;
1976 – прыжок на мотоцикле через канал Эльба-Любек (длина полета – 64,8 м);
1985 – прыжок длиною 66,7 м в Люксембурге;
1988 – прыжок длиною 65,7 м через яхты;
1988 – первый в мире прыжок на мотоцикле с олимпийского лыжного трамплина в Инсбруке.
Чемпионские титулы, каскадерские трюки во многих фильмах, международный успех... Но еще до прыжка в Инсбруке в Юргене-спортсмене проснулся Юрген-бизнесмен. Это было естественно – кто, как не он, слившийся с Машиной, смог прочувствовать, что значит Моторное Масло. А главное – каким оно должно быть.
И вот, оставаясь действующим спортсменом, Баумгартен принимает решение заняться разработкой и производством моторных масел. Конкуренция, риск? Ему не привыкать. Тонкий скрупулезный расчет? Он никогда не действовал без расчета. Знания? Задачу поставить он сумеет, а в остальном помогут инженеры-химики. А испытывать продукцию он будет сам, в экстремальных условиях.
Так родилась компания JB GERMAN OIL. Ее название расшифровать легко: JB – сокращение от Jurgen Baumgarten, German – Германия, Oil – масло. Немецкая тщательность и качество.
Компания JB GERMAN OIL GmbH & Co KG по производству смазочных материалов расположена в Виттенбурге неподалеку от Гамбурга. Являясь «дочкой» фирмы Hamburger Petronord Energie-und Wärmekonzepte GmbH, она входит в корпорацию мирового уровня Marquard & Bahls AG, успешно работающую на нефтяном и энергетическом рынках более 60 лет.
Основанная в 1997 году, JB GERMAN OIL пользуется авторитетом более чем в 35 странах. Компания выпускает и реализовывает ежегодно более 2 тыс. т высокотехнологичных смазочных материалов. Тем самым она подтверждает свою репутацию эффективного и компетентного партнера – ведь продажа продукции под собственным именем и фирменным товарным знаком неизменно укрепляет уважение к предприятию.
В Виттенбурге, где расположено предприятие, вблизи скоростной автомагистрали А24 находится офисный и складской комплекс компании. На площадях 80 тыс. м2 производится и хранится свыше 800 тыс. л смазочных материалов.
В ассортименте JB GERMAN OIL имеются как моторные и трансмиссионные масла, так и гидравлические жидкости, консистентные смазки, высококачественные продукты для мотоциклов и любые сервисные препараты вплоть до зимней автохимии.
Клиенты могут получать продукцию непосредственно на складе или в контейнерах через Гамбургский порт. Благодаря отличному автомобильному сообщению со скоростной автомагистралью A24 производятся ежедневные поставки продукции на автозаправочные станции OIL, расположенные на всей территории Германии. Осуществляют их транспортно-экспедиторская служба DPD и логистический партнер фирмы Krüger & Voigt.
Философия JB GERMAN OIL проста! Работать каждый день, чтобы становиться лучше, совершенствоваться – это провозгласили все работники компании. Цель у них единственная – всегда оправдывать доверие клиентов и деловых партнеров.
Сегодня JB GERMAN OIL расширяет свое присутствие на российском рынке. Да, у компании есть эксклюзивный дистрибьютор в России, но для увеличения объемов поставок высококачественных масел и смазочных материалов фирма с удовольствием рассмотрит предложения по сотрудничеству от российских предпринимателей. Звоните и пишите нам.
