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».

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.

Нефтяная фракция, очищенная растворителями

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

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

ПАО: собраны из одинаковых коротких молекул

сера: нет
насыщенные: 100 %
ИВ основы: 125–145

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

Условия опыта

Что сравнивать

Масла класса SAE 40, два или три

I, минеральное 15W-40 III, гидрокрекинг 10W-40 IV, ПАО 5W-40 V, эфир 0W-40

Самая холодная ночь

Масло в картере под нагрузкой

Обычно 95–105 °C. Жара, перегруз, забитый радиатор и разреженный воздух высокогорья поднимают температуру.

Машина

Самосвал работает 6000 ч в год, час его простоя стоит примерно как 117 литров минерального масла. Экскаватор 6500 ч, а его простой держит все самосвалы забоя: час стоит в 3,4 раза дороже, как 400 литров.

Продлевать интервал по анализу масла

Без анализа масло меняют по часам, через 250 ч. С анализом проба каждые 250 ч, а масло меняют, когда оно на самом деле состарилось.

Холодных пусков за зиму

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) + C_х

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
C_х: 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

Моторное масло карьерных дизелей
Чаще всего это 15W-40 на минеральной базе или базе групп II–III: дешево, а интервал 250–500 ч масло выдерживает. На морозных рудниках берут 5W-40 и 0W-40 на ПАО или ставят подогреватели. Как вязкость решает пуск, смотри в теме «Выбор масла по вязкости и температуре», а про сам пуск рассказано в теме «Холодный пуск при −40 °C».
Гидравлика и трансмиссии
В гидросистеме экскаватора сотни литров масла, и меняют его раз в 2000–4000 ч, поэтому стойкость к окислению здесь окупается чаще, чем в двигателе. Для северных машин делают всесезонные гидравлические масла на ПАО. В бортовых редукторах и мостах синтетика спасает при перегреве на длинных подъемах.
Совместимость и смешивание
Минеральные, гидрокрекинговые и ПАО масла смешиваются без осадка, но смесь получает свойства худшего. Эфиры сильнее действуют на резину: одни уплотнения от них набухают, другие дубеют. Перед переходом на эфир сверяют материал манжет, подробнее в теме «Уплотнения: пыль и вода против подшипника».
Переход на синтетику на старом двигателе
Синтетическое масло лучше растворяет нагар и лак. В изношенном двигателе оно смывает отложения, которые затыкали зазоры, и сальники могут потечь, а фильтр забиться. Поэтому после перехода первый интервал сокращают и берут пробы чаще.
Допуск производителя, а не только вязкость
В руководстве машины пишут не только класс SAE, но и спецификацию: API CK-4, Cat ECF-3, Cummins CES 20086 и подобные. Масло проходит по ней моторные испытания на износ, отложения и сажу. Два масла 15W-40 могут вести себя по-разному, и без допуска гарантия может не покрыть ремонт.
Продленный интервал под контролем
Дорогое масло выгодно, только если его дольше держат в машине. Интервал продлевают постепенно, по пробам: вязкость, окисление, щелочное число, металлы износа. Без анализа синтетику меняют так же часто, как минеральное, и переплата не возвращается.

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» →