Новое понимание щелочного числа моторного масла (TBN)
Показатель общего щелочного числа TBN (англ. TBN – Total Base Number) дает представление о количестве имеющихся в масле щелочных соединений, которые нейтрализуют органические и неорганические кислоты, концентрирующиеся в поддонах картеров дизельных ДВС во время их работы.
КАК ИЗМЕРЯЕТСЯ
Значение выражается в миллиграммах гидроксида калия, требуемого для титрования 1 грамма тестируемого образца, растворённого в специальном растворителе до установленной точки эквивалентности.
ГДЕ ЕЩЕ ЭТО ВАЖНО
TBN играет важную роль в классификации смазочных материалов (ACEA, Global DHD и др.), в производственных стандартах компаний-производителей смазочных материалов и др.
Щелочное число моторного масла.
Тема моторного масла одна из самых холиварных, если не самая.
Поэтому я старательно обхожу эти темы, поскольку в полемику там вступают люди весьма далёкие даже от школьного курса химии и физики. Но, впрочем, куда же без него, без Полиграфа Шарикова из гаражей?
Но не смотря на это я всё-таки наброшу на вентилятор…
Сегодня речь о щелочном числе и как оно влияет свойства моторного масла.
Для примера я взял масла группы Тотал, а именно Эльф, ранее настоятельно рекомендовавшийся концерном Рено-Ниссан. Настолько настоятельно, что даже наклейки клеили на заднем стекле автомобиля и в инструкции рекомендовали исключительно Эльф. Для дизеля производитель настойчиво рекомендовал использовать масло ELF EVOLUTION FULL-TECH FE 5W-30.
Впрочем, речь не про эльф, а про щелочное число.
И я решил сравнить близкие (на первый взгляд) по свойства масла этого производителя с уровнем свойств ACEA: С3, которое так сильно любят владельцы дизельных версий Дастера.
1. ELF EVOLUTION FULL-TECH FE 5W-30 — щелочное число 7,4. ACEA: С4, уровень свойств С3.
2. ELF EVOLUTION FULL-TECH LLX 5W-30 — щелочное число 6,2. ACEA: С3
3. ELF EVOLUTION FULL-TECH MSX 5W-30 — щелочное число 6,2. ACEA: С3
4. ELF EVOLUTION FULL-TECH LSX 5W-40 — щелочное число 6,2. ACEA: С3
Данная величина характеризует, как долго масло может нейтрализовать вредные для него кислоты, которые вызывают коррозионный износ деталей двигателя и усиливают процессы образования различных углеродистых отложений. Для нейтрализации используется гидроксид калия — KOH. Соответственно щелочное число измеряется в мг КОН на грамм масла, [мг КОН/г]. Физически это означает, что количество гидроксида эквивалентно по своему действию пакету присадок. Так, если в документации указано, что общее щелочное число (TBN — Total Base Number) равно, например, 7,5, то это значит, что количество КОН составляет 7,5 мг на грамм масла.
Чем больше будет щелочное число — тем дольше масло сможет нейтрализовать действие кислот, образующихся при окислении масла и сгорании топлива. То есть, им можно будет дольше пользоваться (хотя на этот показатель еще оказывают влияние другие параметры). Низкие моющие свойства — это плохо для масла, поскольку в таком случае на деталях будет образовываться несмываемый нагар.
Масла, в которых минеральная основа с низким индексом вязкости, и большим содержанием серы, но высоким TBN в неблагоприятных условиях быстро сойдет на нет. Именно поэтому такую смазывающую жидкость не рекомендуется использовать в современных моторах. (Это к слову о дешёвых аналогах качественным продуктам)
При работе масла в двигателе щелочное число неизбежно снижается, а нейтрализующие присадки срабатываются. Такое снижение имеет допустимые пределы, по достижении которых масло не сможет защищать от коррозии кислотными соединениями. Что касается оптимального значения щелочного числа, то раньше считалось, что для бензиновых двигателей оно будет равно примерно 8…9, а для дизельных — 11…14. Однако у современных смазочных составов щелочное число обычно ниже, вплоть до 7 и даже 6,1 мг КОН/г. Обратите внимание, что в современных двигателях нельзя использовать масла со щелочным числом 14 и выше.
Низкое щелочное число в современных маслах сделано искусственно в угоду действующим экологическим требованиям (ЕВРО-4 и ЕВРО-5). Так, при сжигании этих масел в двигателе образуется малое количество серы, что положительно сказывается на качестве выхлопных газов. Однако масло с низким щелочным числом зачастую недостаточно хорошо защищает детали двигателя от износа.
А значит оптимальным ЩЧ не всегда должно быть максимальное или минимальное число.
Грубо говоря, щелочное число занижается искусственно, поскольку долговечность двигателя принесены в угоду современным требованиям экологичности. К тому же, износ двигателя приводит к более частой смене машины конкретным автовладельцем на новую.
Теперь немного поподробнее про щелочное число.
1. Химический смысл щелочного числа
Щелочное число моторного масла (в англоязычной литературе обозначается аббревиатурой TBN) – это величина, указывающая на количество гидроксидов калия в одном грамме моторного масла. Единица измерения – мгКОН/г.
Как известно, щёлочь является некой противоположностью кислот. Большинство кислот, вне зависимости от химических элементов, их образующих, при взаимодействии со щелочами нейтрализуются. То есть теряют свою способность отдавать катион водорода и преобразовываются в менее активные химические соединения.
Гидроксид калия обладает одним из сильнейших свойств нейтрализации кислот. Одновременно с этим раствор КОН имеет мощные расщепляющие, растворяющие и моющие свойства. Это соединение, например, широко применяется при производстве промышленных моющих составов. Поэтому для моторных масел при подсчёте щелочного числа за базовый компонент взят именно гидроксид калия.
2. Практическое значение
Моторное масло работает в сложных условиях. Давление, высокие температуры, проникающее через кольца топливо, раскалённые газы и сажа – всё это ведёт к неизбежным химическим преобразованиям как базы, так и присадочных компонентов масла.
Под воздействием высоких температур и в присутствии кислорода происходит окисление моторного масла. Несмотря на то, что базовый состав, особенно синтетических моторных масел, имеет высокую химическую стабильность, при высокой температуре неизбежно формируются окислы.
Что плохого в окислах? По большому счёту, окисление моторного масла – это его выгорание. Ведь сам процесс горения – это с химической точки зрения реакция окисления с выделением тепла. А продукты такой реакции, то есть окислы, в большинстве своём представляют собой бесполезный балласт из химически нейтральных или малоактивных соединений.
3. Продукты износа масла и их влияние на мотор.
Для краткого описания совокупности большинства подобных окислов существует даже особый термин – шлам. Продукты термического разложения масла, то есть шлам, оседают на поверхностях двигателя, что приводит к его загрязнению. Загрязнение мотора чревато перегревом. Также частицы шлама зачастую содержат и сверхтвёрдые окислы, которые работают как абразивы.
Часть окислов обладает химической активностью. Некоторые из них способны инициировать коррозионные процессы или локально разрушать неметаллические детали мотора (в основном резиновые уплотнители).
Гидроксид калия работает в двух направлениях:
частичная нейтрализация образующихся кислот;
расщепление на как можно меньшие фракции шламовых соединений и препятствие их формированию.
Оценка щелочного числа моторного масла;
Щелочное число почти всегда указывается на канистре с маслом на тыльной стороне этикетки. В настоящее время этот показатель варьируется в пределах от 5 (для самых простых и дешёвых смазочных материалов) до 14 мгКОН/г. (для самых дорогих).
Теперь о дизелях и работе масла в этих моторах.
При прочих равных в дизельных моторах образуется больше окислов. Во-первых, это связано с составом топлива. Содержание серы в дизельном топливе значительно выше, чем в бензине. А сера склонна формировать различные оксиды при воздействии высоких температур.
Во-вторых, условия работы дизельного двигателя более суровые. Выше давление, выше температура в камере сгорания. Как следствие, активнее идёт процесс выгорания масла.
Поэтому для чисто дизельных масел нормальным считается щелочное число от 9 мгКОН/г и выше. У бензиновых моторов требования несколько занижены. Для нефорсированных двигателей, работающих на бензине, достаточным будет 7-8 мгКОН/г.
Однако есть масла, в которых щелочное число ещё ниже. Это вовсе не означает, что масло плохое, и лучше избегать его использования. Нужно понимать, что моющие свойства у таких масел будут ниже. А это означает, что ближе к замене (когда и так изначально невысокое количество щёлочи снизится) ускорится процесс образования шлама. Поэтому масла с низким щелочным числом рекомендуется менять чаще!
Обратной стороной медали выступает и то, что с усилением пакета присадок снижается и щелочное число. То есть в теории, особенно для недорогих масел, как раз таки высокое щелочное число может указывать на обеднённый состав других важных присадок.
Но кроме улучшений они имеют и обратные свойства. В частности, оседают в виде нагара в двигателе или попадают в катализатор, где накапливаются. Например, для дизелей с DPF, SCR и накопительных нейтрализаторов сера — враг, а для окислительных нейтрализаторов враг — фосфор. А вот моющие присадки (детергенты) Ca и Mg при сгорании образуют золу.
Поэтому, чем меньше присадок находится в масле, тем стабильнее и предсказуемее эффект их воздействия. Поскольку они будут мешать друг другу получить четкий сбалансированный результат, не раскрыв весь заложенный в них потенциал, а также давать более отрицательный побочный эффект.
Защитные свойства присадок зависят от способов изготовления и качества сырья, поэтому их количество не всегда показатель лучшей защиты и качества. Поэтому у каждого автопроизводителя для применения в конкретном моторе есть свои ограничения.
На основании выше изложенного, коллеги, можно сделать вывод, что различия масел только по одному показателю уже достаточно существенно.
И одной только надписи на этикетке "АСЕА С3" ещё не достаточно для того, чтобы сделать вывод о том, что этот продукт подходит мотору вашего автомобиля.
Выбор того или иного моторного масла должен основываться не только на показаниях вязкости и допусках автопроизводителей. Кроме этого, существует еще три обязательных параметра, которые нужно учитывать:
— свойства смазочного материала;
— условия эксплуатации масла (режим работы двигателя);
— конструкционные особенности двигателя.
На первый пункт во многом зависит то, какого типа масло — синтетика, полусинтетика или полностью минеральное. Желательно, чтобы смазывающая жидкость обладала такими эксплуатационными характеристиками:
— Высокими моющими диспергирующе-стабилизирующими и солюбилизирующими свойствами по отношению к нерастворимым элементам, находящимся в масле. Упомянутые характеристики позволяют быстро и просто очищать поверхность рабочих деталей двигателя от различных загрязнений. Кроме того, благодаря им детали проще очищать от грязи при их демонтаже.
— Способность нейтрализовать воздействие кислот, тем самым предотвращая чрезмерный износ деталей двигателя и увеличивая его общий ресурс.
— Высокие термические и термоокислительные свойства. Они нужны для того, чтобы эффективно охлаждать поршневые кольца и поршни.
— Невысокая летучесть, а также низкий расход масла на угар.
— Отсутствие свойства образовывать пену в любом состоянии, хоть в холодном, хоть в горячем.
— Полная совместимость с материалами, из которых выполнены уплотнители (обычно маслостойкая резина), используемые в системе нейтрализации газов, а также в других системах двигателя.
— Качественное смазывание деталей двигателя в любых, даже критических, условиях (при морозе или перегреве).
— Способность без проблем прокачиваться через элементы системы смазки. Это не только обеспечивает надежную защиту элементов двигателя, но и облегчает запуск двигателя в мороз.
— Не вступление в химические реакции с металлическими и резиновыми элементами двигателя при его долгом простое без работы.
Перечисленные показатели качества моторного масла зачастую являются критическими, и если их значения будут ниже нормы, то это чревато недостаточным смазыванием отдельных деталей двигателя, их чрезмерным износом, перегреванием, а это, как правило, приводит к снижению ресурса как отдельных частей, так и двигателя в целом.
Есть ещё один очень важный показатель масла, это температура вспышки.
Это самая низкая температура, при которой пары нагреваемого моторного масла при определенных условиях образуют смесь с воздухом, взрывающуюся при поднесении пламени (первая вспышка). При температуре вспышки моторное масло еще не воспламеняется. Температуру вспышки определяют при нагревании моторного масла в открытом или закрытом тигле.
Это показатель наличия в масле легкокипящих фракций, что определяет способность состава образовывать нагар и сгорать при соприкосновении с горячими деталями двигателя. У качественного и хорошего масла значение температуры вспышки должно быть как можно выше. У современных моторных масел температура вспышки превышает +200°C, обычно она равна +210…230°C и выше…
Но об этом в другой раз, может быть.
Замечу лишь, что у большинства аналогов пресловутого эльфа (того самого который фулл теч фе и дорогущего как чугунный мост) температура вспышки не превышает 210°C со всеми вытекающими последствиями.
Температура вспышки у ELF EVOLUTION FULL-TECH FE 5W-30 = 240°C.
На этом всё, коллеги.
Для любителей не только прочитать но и увидеть ссылка на короткий познавательный ролик.
Что такое щелочное число для моторного масла?
Показатели вязкости и температуры определяют уровень качества автомасла. То есть стабильная работа двигателя зависит именно от этих двух факторов. Полная характеристика смазочного продукта определяется благодаря такому показателю как щелочное число. Для его обозначения используют маркировку TBN.
Щелочное число моторного масла (англ. TBN – Total Base Number) – это величина определяет рабочее состояние моторного масла, а также его влияние на механизмы системы. Единица измерения – мгКОН/г.
Зачем нужна щелочь в масле?
При сгорании топлива в двигателе образуются осадки кислотной природы. При попадании в картер они приводят к окислению, коррозии и образованию шламовых отложений, что нарушает циркуляцию масла. В результате — масляное голодание и отказ двигателя.
Щелочные компоненты в масле отвечают за нейтрализацию кислотных продуктов горения. Моющие присадки растворяют твердые отложения и препятствуют образованию новых, диспергирующие же удерживают твердые вещества во взвешенном состоянии и расщепляют кислоты на нейтральные фракции.
В процессе работы масла щелочные присадки постепенно расходуются.
Измерение и оценка щелочного числа
Щелочное число почти всегда указывается на этикетке моторного масла. Показатель варьируется в пределах от 5 (для самых простых и дешёвых смазочных материалов) до 14 мгКОН/г. Но для дизельных двигателей показатель щелочное число моторного масла от 9 мгКОН/г и выше считается нормой. У бензиновых моторов требования несколько занижены.
Однако другие моторные масла могут обладать меньшим щелочным числом, что также не будет являться отрицательный оценкой качества.
Ближе к замене масла количество щёлочи снижается, что ускоряет процесс образования шлама. И в течение многих лет показатель общего щелочного числа был ключевым показателем, который помогал понять, когда моторное масло нужно менять.
Но для современных смазочных материалов низкое щелочное число не является единственным индикатором остаточного запаса свойств моторного масла.
Новые двигатели и современные масла
Представление об использовании показателя TBN меняют современные смазочные материалы в сочетании с более чистым дизельным топливом с ультранизким содержанием серы (ULSD).
Более быстрое снижение щелочного числа является отражением модернизации химического состава рецептур масел для тяжело нагружённых двигателей, а не ускоренной деградации работающего масла. Также существуют и другие факторы, поддерживающие существующий тренд к снижению порога «настораживающих» значений TBN, такие как всемирное сокращение новых категорий масел, которые продвигают продукцию более высокого качества.
В настоящее время анализ моторного масла должен включать совокупность факторов, таких как износ, окисление, вязкость и общее кислотное число (TAN – Total Acid Number).
Особенность кислотного числа
Основной причиной образования коррозии, окисления, нитрования и увеличения вязкости моторного масла является кислота. Все эти негативные характеристики приводят к повреждению оборудования, в то время как возможности TBN показывает лишь какой запас функциональных присадок остается для предотвращения вышеуказанных причин снижения производительности.
И если для определения качества масла брать в основу показатель TBN, то со временем производителю смазочных материалов будет приоритетнее находить лучшие и более прицельные способы мониторинга состоянии масла и двигателя, чем работать над улучшением основных показателей.
Важно понимать, что высокая работоспособность моторного масла не зависит только от высокого значения щелочного числа. Качественное моторное масло – это совокупность и баланс окислительной стабильности, диспергирования сажи, контроля образования отложений, защиты от износа, моющих свойств и удержанием значения щелочного числа.
Динамика накопления металлов износа, изменения TBN и TAN
Вывод
Снижение показателя TBN до 50%-20% от первоначального значения не является причиной для замены моторного масла. И необходимо ориентироваться на совокупность факторов, таких как:
- TAN;
- Накопление металлов износа;
- Степень окисления;
- Кинематическая вязкость.
Мы рекомендуем использовать потенциал современных смазочных материалов по максимуму. Это позволяет решить несколько проблем: увеличить интервалы замены, сократить затраты на обслуживание и уменьшить экологическую нагрузку.
Смазочные материалы TEXACO разрабатываются по новейшей рецептуре с оптимальным значением щелочного числа и соответствуют стандартам ОЕМ-производителей в течение всего интервала замены масла, обеспечивая длительную и надежную эксплуатацию вашей техники.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОТОРНЫХ МАСЕЛ
Технические характеристики моторных масел — это количественное выражение определенных свойств масла в физических величинах или коэффициентах. Они показывают, при каких условиях моторное масло защищать двигатель от износа, коррозии, загрязнений, возникающих в ходе работы. Информацию о типовых характеристиках можно найти в листе технического описания (TDS, Technical Data Sheet).
Температура вспышки (flash point)
Температура вспышки — самая низкая температура, при которой пары смазочного материала образуют смесь с воздухом, воспламеняющуюся при контакте с огнем. Само масло при этом еще не воспламеняется. Параметр характеризует наличие в масле легколетучих фракций, которые при смешивании с воздухом образуют горючую смесь. Чем меньше этот показатель, тем меньше расход на угар и выше качество базовых масел. Определяют в открытом или закрытом тигле, в последнем случае она на 20-25 градусов ниже.
Испаряемость по методу Ноака
Испаряемость по NOACK — показатель, который определяет, сколько масла будет израсходовано за один час при температуре 250 градусов Цельсия. Испаряемость зависит от качества базовых масел, так как этот показатель зависит от наличия легких, летучих фракций. Хорошие масла имеют испаряемость ниже 14%. Испаряемость по NOACK характеризует склонность масла к угару/испарению. Испаряемость по НОАК выражается в процентах, и чем эта цифра меньше, тем меньше расход масла на угар.
Как определяют испаряемость по НОАК?
Стандартизирован тест Селби-Ноака в методе ASTM D5800. Образец масла весом 65 г помещают в специальный аппарат, нагревают до 245,2 °С и в течение 60 минут пропускают над нагретым образцом постоянный поток воздуха с помощью вакуумного насоса.
Для качественных моторных масел показатель испаряемости обычно не превышает 14-15%. Косвенно по этому числу можно оценивать качество базовых масел.
Температура застывания (solidification point)
Температура застывания — это температура, при которой масло теряет свою подвижность и тягучесть. Застывшим считается масло, которое удерживается в неподвижном состоянии 5 секунд под углом 90 градусов.
Производители снижают температуру застывания с помощью специальных присадок — депрессоров, которые не дают парафину укрупняться, увеличивать плотность, создавая псевдокристаллические структуры. Снижение динамической вязкости CCS добивается путем подбора нужного базового масла и полимера-загустителя. Поэтому температура застывания и низкотемпературная вязкость могут быть никак не связаны между собой. Кроме того, чрезмерное содержание депрессора может приводить к увеличению вязкости CCS.
Температура потери текучести (pour point)
Температура потери текучести — это самая низкая температура, при которой моторное масло еще сохраняет текучесть. Она показывает возможность переливания моторного масла без необходимости подогрева. Температура застывания, согласно стандартам, на 3°С выше температуры потери текучести. Метод измерения — ASTM D97.
Кислотное число (Total Acid Number, TAN)
TAN — показатель, характеризующий наличие в масле кислот, которые приводят к коррозии металлов. По этому показателю можно косвенно судить о качестве базового масла. В хорошо очищенных маслах II и III группы, например, TAN будет меньше, чем в I группе. Стандартный метод измерения — ASTM D664
Общее щелочное число (Total Base Number, TBN)
Щелочное число — это показатель, выражающая количество гидроксидов калия в 1 гр моторного масла. Он напрямую влияет на срок службы моторного масла. В обычных маслах этот показатель находится в диапазоне от 5 до 12 мг KOH на грамм.
В процессе сгорания топливно-воздушной смеси неизбежно образуются различные кислоты (особенно при использовании некачественного топлива с высоким содержанием серы), которые вызывают старение масла и даже способны вызывать коррозию. Именно для этого в моторное масло и добавляются щелочные присадки, нейтрализующие их.
Моющие свойства моторного масла характеризует наличие нейтральных солей, а не щелочное число. Поэтому невысокое содержание щелочи не является прямым показателем моющих свойств.
Кроме того, высокий показатель TBN приводит к повышению сульфатной зольности, которая негативно влияет на катализаторы выхлопной системы, турбины, может оседать на маслосъемных кольцах, а в случае угара масла приводить к образованию твердых абразивных веществ.
Именно поэтому в последнее время получили среднезольные и малозольные масла c пониженным содержанием сульфатной золы, фосфора и серы.
Зольность сульфатная
Сульфатная зольность — это важная характеристика моторного масла, которая показывает количество неорганических примесей, которые остаются после полного сгорания. Эти примеси являются следствием содержания в масле присадок на основе соединений металлов.
При сгорании высокозольного масла может образовываться твердый абразив, который при долгом воздействии приведет к полировке стенок цилиндра. Гладкие, как зеркало, поверхности не способны удерживать масляную пленку, а это приводит к высокому расходу масла.
Высокая зольность оказывает негативное влияние на клапаны (особенно актуально для двигателей, работающих на газу, а также оснащенных непосредственным впрыском топлива), подшипники турбин, катализаторы с мелкими сотами.
Для определения зольности используются такие международные стандарты, как DIN 51 575, ASTM D482, ISO 6245.
- Полнозольные (Full SAPS) масла
По классификации ACEA — A1/B1, A3/B3, A3/B4, A5/
B5. Такие масла могут негативно сказываться на многоступенчатых каталитических нейтрализаторах и фильтрах DPF. Типичное значение зольности — 0,9 — 1,1%.
- Среднезольные (Mid SAPS) масла
Согласно классификации ACEA имеют обозначения C2 и C3. Зольность таких масел колеблется в диапазоне 0,6-0,9%.
- Малозольные (Low SAPS) масла
По классификации ACEA — C1 и C4. По стандарту содержание сульфатной золы не должно превышать 0,5%.
Плотность и удельный вес
Плотность вещества — это соотношение его массы к объему (кг/м3), а удельный вес — соотношение массы определенного объема вещества к массе соответствующего объема воды при 20°С. Плотность и удельный вес зависят от температуры.