➡️ Смотреть видео на YouTube
Синтетическое масло: одни им восхищаются, другие ругают.
Привет, я Лейк, эксперт по моторным маслам. Чтобы отделить факты от домыслов о синтетических маслах, мы приехали в штаб-квартиру Chevron Phillips в Хьюстоне, штат Техас. Сегодня мой хороший друг, доктор Кен Хоуп, расскажет нам правду о синтетическом масле.
В предыдущем видео об истории моторных масел мы обсуждали, как химические свойства сырой нефти оказывают огромное влияние на характеристики нефтепродуктов, полученных в результате переработки. Именно поэтому моторные масла, произведённые на основе пенсильванской нефти, стали популярны: пенсильванская базовая нефть имела парафиновую основу.
Свойства базового масла зависят от происхождения сырой нефти: если нефть имеет нафтеновую или парафиновую основу, это приводит к разным характеристикам масел — например, по устойчивости к высоким и низким температурам. Однако сырая нефть представляет собой сложный химический коктейль, содержащий миллионы различных молекулярных структур, среди которых есть как полезные, так и нежелательные соединения.
Индустрия присадок возникла для исправления этих недостатков, улучшения отдельных характеристик масел или компенсации слабых сторон базового масла. Однако, если нужные свойства отсутствуют в базовом масле, их невозможно полностью компенсировать одной лишь системой присадок. Некоторые ключевые параметры, такие как летучесть, зависят исключительно от свойств базового масла.
Базовые масла на основе минеральных нефтепродуктов содержат широкий спектр углеводородов, включая изопарафины, нафтеновые и циклические соединения, а также гетероатомные компоненты. Часть из них благоприятна, часть — нет. Инженеры пытались селективно удалить нежелательные компоненты, чтобы оставить только полезные, но этот процесс оказался крайне сложным, дорогостоящим и трудоёмким.
Идея синтетического масла зародилась в Лос-Анджелесе, Калифорния. Исследователи понимали, что в сырой нефти есть как хорошие, так и плохие молекулы, и задумались: возможно ли синтезировать исключительно полезные молекулы? Это и привело к созданию синтетических базовых масел.
Этот процесс дал нам ключевые знания: какие соединения полезны, а какие нет. Однако нельзя просто выделить один тип молекул и ожидать превосходных характеристик — необходимо обеспечить химическое разнообразие структуры масла. Если, например, все молекулы будут представлять собой строго линейные углеводороды с идеальной геометрией и минимальным разветвлением, они упорядоченно выстроятся в структуру, схожую с воском, что негативно скажется на текучести масла.
Поэтому в синтетических маслах важно создание множества различных, но полезных молекул с разными молекулярными конфигурациями. Это позволяет избежать кристаллизации при низких температурах, обеспечивая хорошую текучесть, и повышает стабильность при высоких температурах.
Когда мы говорим о синтетическом масле, чаще всего речь идёт о полиальфаолефинах (PAO). Эти масла производятся в лабораторных условиях путем сборки молекул, подобно конструкторам LEGO.
Процесс начинается с этилена (C₂H₄), из которого синтезируют альфа-олефины. Затем с помощью катализаторов альфа-олефины подвергаются олигомеризации, образуя полиальфаолефины с заданным молекулярным распределением. Катализатор выполняет сразу две функции:
- Обеспечивает контролируемый диапазон молекулярных масс, что критично для летучести и вязкостных характеристик.
- Индуцирует изомеризацию, создавая разветвлённые структуры, которые улучшают текучесть при низких температурах.
В результате синтетические PAO-масла обладают высокой термической стабильностью и превосходными эксплуатационными характеристиками как при экстремально низких, так и при высоких температурах.
Исторически синтетические масла появились в авиации во времена Второй мировой войны. Высотные полёты требовали масел с низкой вязкостью при сверхнизких температурах, поскольку в разреженной атмосфере температура может падать до экстремальных значений. Синтетические масла обеспечивали работу техники без избыточного сопротивления, что критично для надёжности авиационного оборудования.
В автомобилестроении те же преимущества проявляются в снижении трения и уменьшении потерь на вязкостное сопротивление. Масло должно обеспечивать достаточную вязкость для защиты от износа и предотвращения контакта металла с металлом, но при этом не быть чрезмерно вязким, чтобы избежать потерь энергии на внутреннее трение и перегрев.
Синтетические масла помогают оптимизировать баланс между вязкостью, теплопередачей и защитными свойствами, что особенно важно в условиях высоких нагрузок.
Забавный факт: первое в мире синтетическое моторное масло было разработано в городе Супериор, штат Висконсин, компанией AMSOIL. Его оригинальная формула была полностью основана на сложных эфирах, но позднее состав был модифицирован до смеси полиальфаолефинов и сложных эфиров, что используется в линейке Signature Series и сегодня.
Если вы смотрели предыдущие видео, то знаете, что одно из моих любимых базовых масел, одна из моих любимых химических субстанций — это PAO 100, синтезированное с использованием металлоценового катализатора. Это моя самая любимая вещь на свете, и именно здесь она была создана.
— Кен, что у нас тут?
— Это типичный реактор, который мы используем для различных экспериментов, например, для производства мПАО 100. В этой установке у нас есть резервуар, куда подаётся исходное сырьё, реакционная камера, в которой мы контролируем температуру, давление, скорость подачи сырья и отслеживаем ход реакции в зависимости от установленных параметров.
— То есть это то самое место, где мы собираем наши «Лего»?
— Да, именно здесь мы строим «Лего».
— Хорошо, мы собрали «Лего». Что дальше?
— Дальше нам нужно понять, что у нас получилось. Для этого у нас есть множество инструментов, позволяющих анализировать состав и свойства полученного продукта.
— Уверен, что один из таких инструментов — газовый хроматограф, верно?
— Верно. Думаю, нам стоит посмотреть на него в действии.
Газовый хроматограф
— Где мы сейчас и кто этот человек?
— Лейк, мы находимся в лаборатории, а это доктор Том Молински. Он объяснит, как работает газовый хроматограф и как мы его используем для анализа масел.
— Да, совершенно верно. Мы называем его ГХ (GC — Gas Chromatograph), и это один из основных инструментов в лаборатории. Его задача — разделять компоненты анализируемого образца на фракции в зависимости от их температуры кипения.
— То есть, если я правильно понимаю, это что-то вроде мини-нефтеперерабатывающего завода, где мы разделяем вещества по температуре кипения?
— Именно так. И поскольку мы используем чистые альфа-олефины для производства полиальфаолефинов (PAO), газовый хроматограф позволяет нам чётко разделить их на фракции. Мы можем увидеть разницу между молекулами C20, C30 и C40 и понять, как эти фракции влияют на вязкость и термические свойства масла.
Основные преимущества синтетического масла
Синтетическое масло обладает четырьмя ключевыми преимуществами:
- Отличные тепловые характеристики — способность поглощать и рассеивать тепло.
- Низкий коэффициент трения — снижение потерь на трение.
- Высокая термическая стабильность — устойчивость к разложению при высоких температурах.
- Эффективная передача тепла — высокая теплопроводность.
Вы упомянули теплопередачу. Это действительно важно. Мы говорим о теплоёмкости — способности масла поглощать тепло из зон, где оно генерируется.
Высокая температура негативно сказывается на масле, ускоряя окисление и другие химические процессы разложения. Скорость окисления масла удваивается примерно каждые 18 градусов Фаренгейта (~10 градусов Цельсия). Кроме того, тепло само по себе генерируется при трении, сгорании топлива и других процессах.
Здесь важную роль играет коэффициент трения. Например, у PAO он ниже, чем у минерального масла, что означает меньшую выработку тепла при работе двигателя. Но, кроме этого, масло должно не только поглощать тепло, но и эффективно его передавать.
Здесь вступает в игру теплопроводность. Чем выше теплопроводность, тем лучше масло передаёт тепло в радиатор или другую систему охлаждения.
Измерение коэффициента трения
— Кен, вы упомянули коэффициент трения. Мы можем измерить его в лаборатории?
— Конечно. У нас есть специальный прибор — MTM (Mini Traction Machine), который позволяет проводить эксперименты по измерению коэффициента трения. Мы можем доказать, что PAO обеспечивает лучшую смазку, снижая трение и, соответственно, уменьшает нагрев масла.
— И это как раз та тема, вокруг которой существует много мифов. В среде владельцев воздушно-охлаждаемых двигателей распространено мнение, что синтетическое масло не поглощает тепло так же эффективно, как минеральное, и поэтому двигатель работает горячее.
— Это одно из самых распространённых заблуждений. Давайте разберёмся с термином «удельная теплоёмкость».
— Удельная теплоёмкость — это способность масла поглощать тепло. Это можно измерить с высокой точностью, и здесь важно понимать разницу между теплоёмкостью и теплопроводностью.
На самом деле PAO имеет на
11% более высокую удельную теплоёмкость, чем минеральное масло. Это значит, что оно способно поглощать больше тепла, прежде чем его температура повысится на 1°C.
— Именно поэтому PAO при работе показывает
более низкую температуру, чем минеральное масло.
— Да, и это можно увидеть в эксперименте с MTM. PAO требует больше энергии для нагрева, поэтому оно лучше отводит тепло.
Развенчание мифов о синтетическом масле
Люди заблуждаются по поводу температуры работы синтетических масел из-за двух факторов:
- Синтетика генерирует меньше тепла за счёт снижения трения.
- Она поглощает и передаёт тепло эффективнее, чем минеральные масла.
Это значит, что синтетическое масло
лучше охлаждает двигатель, а не «запирает» в нём тепло, как считают некоторые.
Мы это проверяли на практике в гонках NASCAR, разрабатывая специальные формулы масел. В результате нам удалось снизить не только температуру масла, но и температуру
критически нагруженных деталей, таких как клапанные пружины и поршни. Снижение их температуры значительно увеличило их ресурс, что стало ключевым фактором для побед в гонках.
Разные группы базовых масел
— Мы часто используем термин «синтетика», но в этом видео речь идёт конкретно о полиальфаолефинах (PAO), которые относятся к
группе IV по классификации API. Однако на рынке встречаются разные интерпретации термина «синтетическое масло». Можете пояснить?
— Конечно. Если говорить строго с химической точки зрения, синтетическое масло — это продукт, полученный
из малых молекул, которые искусственно «собираются» в более крупные с заранее заданными свойствами.
— А если взять обычное минеральное масло и подвергнуть его химической модификации, оно будет считаться синтетическим?
— Именно так, это уже будет API
группа III.
— Давайте разберём классификацию базовых масел API:
- Группа I, II и III — это минеральные масла, обработанные с разной степенью очистки. Чем выше номер группы, тем лучше показатели, такие как индекс вязкости и низкое содержание серы.
- Группа IV (PAO) — это истинно синтетические масла, не содержащие серу, с высоким индексом вязкости и предсказуемыми молекулярными характеристиками.
- Группа V — это всё остальное: сложные эфиры, алкилбензолы, полиэфирные масла и другие соединения. Они не всегда лучше для моторных масел, но могут дополнять PAO в специальных составах.
— То есть люди ошибочно полагают, что
масла группы V лучше только потому, что у них выше номер, но на самом деле всё зависит от конкретного состава?
— Верно. Масла должны подбираться под конкретное применение.
