В тази част от поредицата ще ви разкажем за историята и технологичното развитие на маслата
Историята на моторните масла е свързана с усъвършенстването на процесите на преработка на нефта и развитието на химическата индустрия. В първите години на своето развитие автомобилите се смазвали с прости продукти от рафинирането на суров петрол, тоест маслата били с изцяло минерален произход. Петролът от своя страна е многокомпонентна течност, тоест състои се от огромен брой въглеводородни субстанции със различно специфично тегло – от въглеводородни газове до тежки асфалтени деривати, вариращи в различни пропорции в зависимост от вида му. Производството на масла започва почти едновременно с индустриалното използване на нефта – още първата публикация по темата на известния американски професор химик Бенджамин Сълиман разкрива, че „течността е органична, състои се от различни въглеводородни фракции, които съответно кипят при различна температура”. „С прости дестилационни процеси”, твърдял Сълиман „тези фракции могат да се отделят една от друга и от тях да се получават както висококачествено масло за осветление, така и смазочни материали”. Това се случило през 1859 г. много преди автомобилът да бъде изобретен, а когато около 30 години по-късно той се появил на бял свят, преработката на петрол вече имала своя история и разчитала на сериозен натрупан опит. Така че когато първите автомобилни конструктори открили, че нефтената фракция, наречена бензинова, е подходяща като гориво за двигателите с вътрешно горене, те вече разполагали и с минерални масла за механизмите на своите автомобили.
Прецизното разделяне на съставните части на нефта на отделни фракции става в колоните за ректификация (фракционна дестилация) в зависимост от плътността и температурата на изпарение, като за производство на масла се използват субстанциите, изградени от молекули със среден размер – обикновено с 25 до 40 въглеродни атома. Те са най-подходящите по отношение на смазващите си функции, могат да бъдат изпомпвани под високо налягане между движещите се метални повърхности и да осигуряват хлъзгав маслен филм, чиято плътност е най-подходяща за ефективно смазване. Както горивата, така и маслата съдържат въглеводороди с прави, циклични или още по-сложно организирани форми – химиците ги наричат парафини (с прави вериги на молекулите), олефини (ненаситени, с прави вериги и двойни връзки на определени места), нафтенови (с циклична конструкция) и ароматни въглеводороди ( с устойчиви циклична структура с ароматни ядра). Трябва да се отбележи, че всеки отделен фракционен поток в разделителната колона съдържа цяла гама от различни молекули, които имат много различни качества – това важи и за маслената фракция и нейните смазочни компоненти. Маслените фракции съдържат въглеводороди с температури на изпарение в диапазона около 400 градуса и след атмосферната дестилация на нефта те се отделят по-прецизно с помощта на така наречената вакуумна дестилация. С използване на този процес се избягват много високите температури, които биха довели до разпадане (крекиране) на молекулите, преди в течността да се инициира процес на изпарение. Днешната компания Mobil (част от концерна ExxonMobil) например започнала бизнеса си именно с производство на масла чрез този процес; оттам идва и името й в края на XIX век – Socony-Vacuum Oil Company.
Рафинерии и петрохимия
Един от множеството проблеми на първите минерални масла бил, че те се разпадали активно, защото някои важни за процесите на смазване леки фракции се изпарявали при нагряването им. От друга страна, много от тези масла не можели да се използват през зимата поради високия процент на по-тежки парафинови въглеводороди, които се втвърдявали при ниски температури. Затова качествата на маслата зависели в голяма степен от вида на нефта и съответно от пропорциите на различните фракции. С развитието на технологиите химиците започнали да отделят неподходящите химически съединения, като тежките ароматни въглеводороди (заради склонността им към образуване на налепи) и въпросните тежки парафини (поради появата на твърди парафинови образувания), с помощта на разтворители, да ги очистват от сяра и да променят молекулярните структури на различните субстанции чрез редица химически процеси до получаване на най-подходящите за съответните условия видове. (Колкото и парадоксално да изглежда, по-късно тежките парафини ще се използват като суровина за производство на синтетични базови компоненти). През 30-те години специалистите вече знаели, че голяма част от наситените парафинови въглеводороди с определен диапазон за броя на въглеродните атоми са по-добри от тежките нафтенови (с циклична молекула) базови компоненти, поради което значително намалили съдържанието на последните. По това време бил изобретен и каталитичният крекинг – процес, при който големите въглеводородни молекули се разпадат на по-малки при сравнително ниска температура и наличие на катализатор. Този процес заменил термичния крекинг, разработен още през 1911 г., при който това се осъществявало при изключително висока температура. По-късната разновидност на каталитичния крекинг, наречена флуиден каталитичен крекинг, е разработена през 1942 година и станала основа за създаване не само на нови базови групи масла с по-добри вискозитетни качества, но и на синтетични суровини.
Междувременно химиците вече натрупали значителен опит, а петрохимията, макар и млада, набирала сериозна скорост. Нефтът станал не само източник на горива, но и суровина за производство на различни химикали. Германски химици, като Фишер и Тропш, създали процеси, при които нефт и въглища можели да се разпадат на елементарни неорганични съединения и от тях да се синтезират нови органични продукти, в концерна I.G.Farben се раждали нови и нови изобретения, отвъд океана заработила пълноценна петрохимическа индустрия. Една от насоките на търсенията на химиците било намирането на подходящи вещества, които да подобрят свойствата на маслата. По това време те продължавали да губят качествата си и да променят структурата си в резултат от механични, химически и термични въздействия и от насищане с продукти на горенето.
Така се появили и първите добавки към маслата, които, прилагани в определени количества, можели да променят драстично качествата им и определили формулата на производство на масла, валидна и до днес – смес от базови масла и присадки (до около 80 процента). Така, през 1947 г. Американският петролен институт въвел първите си цялостни спецификации, разделящи маслата на три класа: Regular (съдържащи само чисто минерално масло), Premium (с добавени инхибитори на окисляването) и Heavy Duty (с оксидационни инхибитори и детергенти/дисперсанти). За всички продукти обаче били използвали базови масла от така наречената Група I, за която ще стане дума по-късно.
Раждането на стандартите
През 1911 г. Американското дружество на автомобилните инженери SAE решило да установи стандарти за моторните масла и тази първа класификация е създадена на базата на вискозитета. Казано с прости думи, вискозитетът е „течливостта“ на течностите. SAE сравнявало вискозитета на маслата при 100 градуса Целзий – горе-долу температурата на маслото в лагерите на коляновия вал. Вискозитетът намалява с увеличаване на температурата и при около 100 градуса минералните масла започват да стават изключително тънки и съответно „слаби”. Поради това тестовете при тази температура са добър индикатор за качеството на маслото. Измерването на вискозитета се правело, като маслото се сипвало върху отвор и се измервало времето за изтичане. Резултатът се наричал кинематичен вискозитет и се измервал с единица, наречана сентисток. На тази база SAE определило числа, с които фиксирало различните вискозитетни класове. Те могат да се видят в таблицата.
Вискозитет при 100°C
cSt SAE степен
16.3 - 21.9 50
12.5 - 16.3 40
9.3 - 12.5 30
5.6 - 9.3 20
>5.6 10
Тази система работи много добре и се използва и днес. През двайсетте и трийсетте години маслото SAE 30 се приело за стандарт и осигурявало приемлив по качество филм за тогавашните мотори. Това масло обаче трудно се използвало при отрицателни температури, като при около минус 10 градуса ставало прекалено гъсто, за да се движи от смазочната система. По тази причина производителите предлагали по-леки и по-тежки масла за сезоните с ниски и високи температури. Състезателните двигатели, при които бил необходим по-устойчив филм заради по-високите натоварвания в лагерите, се зареждали с масла с вискозитетен клас 40 и 50.
След Втората световна война обаче натоварването в двигателите на автомобилите започнало бързо да расте. Ако маслото с показатели SAE 50 можело да реши проблемите при високи температури, то ставало прекалено плътно при ниски. В резултат от това производителите се принудили трайно да преминат към предлагане на различни масла за различните сезони – нещо, което не било особено комфортно за потребителите. Първата стъпка за компенсиране на тези недостатъци станала факт с въвеждането на така наречените вискозитетни модификатори, вещества със сложни молекули, създадени от бурно развиващата се химическа индустрия със синтезираните от нея сложни полимери, които имат способността да увеличават вискозитета на маслото при високи температури, без да го влошават при ниски. Така маслото SAE 30 при нагряване в двигателя можело да се превърне в SAE 50 с помощта на пакет от присадки. За да се различат обикновените сезонни минерални масла от новите продукти с присадки, бил въведен нов тест за оценка при ниска температура, като получените стойности се поставяли като числов знак пред буквата W. Простите тестове включвали поставянето на масло в съд и игла върху маслото, охлаждане на маслото през интервали от пет градуса и установяване на температурата, при която иглата не се мести при разклащане на съда. Днешните тестове са далеч по-сложни и включват множество параметри, но на практика резултатите са близки и в опростен вид могат да се видят в таблицата.
SAE Зимна категория за моторно масло
Категория Температура, до която маслото може да се използва
25W –5°C
20W –10°C
15W –15°C
10W –20°C
5W –25°C
0W –30°C и по–ниска
С помощта на вискозитетни модификатори маслото SAE 30, което може да се използва до минус 10 градуса, автоматично станало SAE 20W-30, а скоро широко разпространеният предвоенен стандарт SAE 30 с добавяне на подходящите присадки се превърнал в 20W-50. Тъй като обаче не било технически приемливо качеството на маслото да се установява само при ниски температури и при 100 градуса, кинематичният вискозитет започнал да се измерва и при 40 градуса и бил въведен нов оценяващ фактор – така нареченият VI, или вискозитетен индекс, определящ степента на промяна на вискозитета. Колкото по-висок е вискозитетният индекс, толкова по-малко е въздействието на температурата върху кинематичния вискозитет. Това е особено важно за двигателите за спортни и състезателни автомобили, защото определя как маслото ще се държи при температури над 100 градуса, каквито се достигат в тези мотори.
С развитието на двигателите през 60-те години обаче дългите молекули на дотогавашните вискозитетни модификатори и детергенти започнали да не издържат на по-високото натоварване, разрушавали се, в резултат от което качествата на маслата се връщали на първоначалните нива. Минералните масла влошавали свойствата си с времето, смесвайки се с различни отпадни продукти от горенето. Междувременно автомобилите ставали все повече, служебните паркове растели, пробезите се увеличавали, а с тях нараствали и разходите. Потребителите започнали да предявяват изисквания за по-дълъг интервал на смяна, появила се и необходимост от по-леки масла, намаляващи триенето. Минералните масла с подобни качества се разрушавали при високо натоварване. Катапултът в развитието на маслата отново станали самолетите – този път реактивните. Новите газови турбини вече изисквали много по-качествени масла.
(следва)
Текст: Георги Колев