Результат интеллектуальной деятельности: МОТОРНОЕ МАСЛО

Изобретение относится к смазочным составам, отличающимся содержанием в качестве компонентов смеси по меньшей мере двух видов ингредиентов, выбранных из основ, загустителей или добавок, в частности к составу универсального моторного масла, предназначенного для всесезонного применения, и может быть использовано в серийных и перспективных высокофорсированных турбонаддувных бензиновых и дизельных двигателях.

В процессе развития двигателестроения повышаются требования к эксплуатационным свойствам моторных масел. Не снижается потребность в минеральных (нефтяных) маслах, одновременно обеспечивающих надежный пуск непрогретого двигателя при температурах до минус 35°C и обладающих высоким уровнем эксплуатационных свойств на установившихся режимах работы двигателя. Уровень этих свойств обеспечивают входящие в состав масел зольные металлсодержащие детергенты, дисперсанты, ингибиторы окисления, а также низкозастывающие компоненты основы масла, обеспечивающие ему пологую вязкостно-температурную характеристику в соответствующем диапазоне температур [А.А.Гуреев, И.Г.Фукс, В.Л.Лашхи. Химмотология. - М: Химия, 1986 г., с.214-239]. Указанное обусловливает интенсивный поиск решений, направленных на одновременное улучшение вязкостно-температурных характеристик масел, с одной стороны, и повышение антиокислительных и антифрикционных свойств - с другой.

Перед авторами стояла задача разработать такое моторное масло, которое обладало бы характерным для масел класса вязкости 4з/14 и группы «Д» [ГОСТ 17479.1-85. Обозначение нефтепродуктов. Масла моторные] высоким уровнем эксплуатационных свойств с улучшенными антиокислительными, противоизносными и антифрикционными свойствами в условиях его высокотемпературного окисления и низких (до минус 45°C) температур применения без снижения моющих и противокоррозионных свойств.

При анализе патентной и научно-технической информации были выявлены технические решения, частично решающие поставленную задачу.

Известно моторное масло М-4з/6B₁, содержащее в % мас.:

[Масла, вырабатываемые предприятиями Минхимнефтепрома СССР. - М: ЦНИИТЭнефтехим, 1986 г., с.8].

Это масло предназначено для применения в северных районах только в среднефорсированных бензиновых двигателях и обладает низкой температурой застывания (минус 42°C), что позволяет осуществлять пуск двигателя без предварительного прогрева при температуре окружающего воздуха до минус 30°C. Однако с увеличением степени форсирования двигателей из-за относительно малого щелочного числа масла (4 мг КОН/г в сравнении с 8-9 мг КОН/г у современных масел) наблюдается повышенное нагарообразование на поршнях двигателей.

Известен состав смазочного масла, содержащего в % мас.:

беззольный дисперсант типа алкенированного или алкилированного сукцинимида, используемый в количестве, соответствующем 0,01-3,0% азота,

металлсодержащий детергент типа щелочной или щелочноземельной соли алкилсалициловой кислоты с основным числом 10-350 мг КОН/г и соли щелочноземельного металла алкилфенольного производного со структурой основания Манниха, используемых в количестве, соответствующем 0,1-1,0% золы,

диалкилдитиофосфат цинка (0,01-0,1 в расчете на фосфор),

ингибитор окисления на фенольной и/или аминной основе [патент США №6569818, C10M 141/02 от 27.05.2003 г.].

Недостатком масла является относительно низкий уровень нейтрализующего запаса: щелочное число масла составляет менее 8 мг КОН/г, что приводит к повышенному нагарообразованию на поршнях двигателей.

Также известно моторное масло, состоящее из щелочного алкилсалицилата кальция, щелочного сульфоната кальция, диалкилдитиофосфата цинка, полиметакрилата, полиметилсилоксана, присадки, состоящей из продукта деструкции этиленпропиленового каучука и полиизобутилена, и минерального масла при следующем соотношении компонентов, мас.%:

[патент РФ RU №2141508, С 10 М 143/00 1999 г.].

Недостатком моторного масла указанного состава является относительно низкий уровень его вязкостно-температурных свойств: при повышении его кинематической вязкости при 100°C до требований класса вязкости за счет использования более высоковязкой основы температура застывания масла повышается и его низкотемпературная прокачиваемость ухудшается, что не позволит обеспечить пуск двигателя при температуре минус 35°C.

Известно масло, состоящее из щелочных алкилсалицилата и сульфоната кальция, диалкилдитиофосфата цинка, полиметакрилата марки «Д», полиметилсилоксана, гидрированного блок-сополимера бутадиена со стиролом, алкенилсукцинимида мочевины, высокомолекулярного основания Манниха, остаточного компонента с кинематической вязкостью 15-20 мм²/c при 100°C и маловязкого дистиллятного масла с кинематической вязкостью 2-4 мм²/c при 100°C при следующем соотношении компонентов, мас.%:

[патент РФ RU №2182592, C 10 M 169/04 от 14.12.2000 г.].

Масло обладает недостаточным для применения в турбонаддувных двигателях уровнем антиокислительных свойств из-за малой ингибирующей эффективности диалкилдитиофосфата цинка в сочетании с алкенилсукцинимидом мочевины. Полиметакрилат марки «Д» в качестве единственного депрессора в загущенных маслах в больших концентрациях не эффективен, что отрицательно сказывается на низкотемпературных свойствах масла.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению и взятым за прототип является универсальное всесезонное моторное масло на минеральной основе, содержащее маловязкое дистиллятное масло с кинематической вязкостью 2-4 мм²/с при 100°C в смеси с остаточным компонентом с кинематической вязкостью 15-20 мм²/с при той же температуре, щелочной алкилсалицилат кальция, щелочной сульфонат кальция, полиметакрилат марки "Д", полиметилсилоксан, гидрированный блок-сополимер бутадиена со стиролом, высокомолекулярное основание Манниха, концентрат смеси моно- и бис-алкилсукцинимидов в масле, модифицированный продукт алкилирования фенола хлорпарафинами, блок-сополимер окиси этилена и пропилена на основе этилдиамина и спиртовой цинкдитиофосфат при следующем соотношении компонентов, мас.%:

(патент РФ №2232796, C 10 M 161/00 от 26.12.2002 г. - прототип).

Прототип обладает низким уровнем антиокислительных, противоизносных и антифрикционных свойств при применении в турбонаддувных бензиновых двигателях вследствие отсутствия синергизма действия спиртового цинкдитиофосфата как функционального антиоксиданта, одновременно обладающего противоизносносными свойствами, с концентратом смеси моно- и бис-алкилсукцинимидов в масле и модифицированным продуктом алкилирования фенола хлорпарафинами.

Технический результат изобретения - повышение эффективности моторного масла за счет улучшения его антиокислительных, противоизносных и антифрикционных свойств в условиях высокотемпературного каталитического окисления и низких температур применения без снижения моющих и противокоррозионных свойств масла. Кроме того, изобретение позволит расширить ассортимент универсальных всесезонных моторных масел, отвечающих требованиям классификационной марки М-4з/14Д.

Указанный технический результат достигается тем, что известное моторное масло, содержащее в качестве базового масла маловязкое дистиллятное масло с кинематической вязкостью 2-4 мм²/с при 100°C в смеси с остаточным компонентом с кинематической вязкостью 15-20 мм²/с при той же температуре в соотношении (12-15):1, моющие присадки, полиметакрилат марки «Д», полиметилсилоксан, загущающую присадку, антиокислительные присадки, диспергирующую присадку, депрессорную присадку, блок-сополимер окиси этилена и пропилена на основе этилдиамина согласно изобретению в качестве моющих присадок масло содержит смесь кальциевой соли алкил(C₁₂-C₂₄)салициловой кислоты с щелочным числом 50-300 мг КОН/г с кальциевой солью сульфонатного производного с щелочным числом 120-400 мг КОН/г, имеющей соотношение радиуса твердого ядра карбоната кальция в одной соли к радиусу твердого ядра карбоната кальция в другой соли в диапазоне 0,15-0,35, в качестве загущающей присадки - спиртовой дивинил-бензол-изопрен с молекулярной массой 15000-25000, в качестве антиокислительных присадок - фенил-α-нафтиламин и диалкилдитиофосфат цинка в расчете на содержание фосфора в готовом масле 0,08-0,12, в качестве диспергирующей присадки - беззольный алкенированный или алкилированный сукцинимид, используемый в масле в количестве, соответствующем 0,1-3,0% азота, в качестве депрессорной присадки - продукт полимеризации эфиров метакриловой кислоты и смеси жирных первичных спиртов при следующем соотношении компонентов, мас.%:

а также тем, что согласно изобретению в качестве базового масла содержит

полиальфаолефиновое масло с кинематической вязкостью 3-5 мм²/с при 100°C

или продукт гидрокаталитических процессов с кинематической вязкостью 3-6 мм²/с при той же температуре, и тем, что в качестве моющих присадок содержит

смесь кальциевой соли алкилфенольного производного с кальциевой солью сульфонатного производного с щелочным числом 120-400 мг КОН/г.

Ниже приведена характеристика компонентов, входящих в состав предлагаемого масла.

Кальциевая соль алкил(C₁₂-C₂₄)салициловой кислоты с щелочным числом 50-300 мг КОН/г (щелочной алкилсалицилат кальция) вырабатывается промышленностью под товарными марками Детерсол-50 (со щелочным числом 50 мг КОН/г), Детерсол-140 (со щелочным числом 140 мг КОН/г), Детерсол-180 (со щелочным числом 180 мг КОН/г), Детерсол-300 (со щелочным числом 300 мг КОН/г) по ТУ 38.601.1-13-88, ТУ 0257-017-48120848-2000, ТУ 38.601-13-079-94, ТУ 38.601-13-073-92. Применяется как моющая присадка, является коллоидным раствором кальциевой соли алкилсалициловой кислоты и мелкодисперсного карбоната кальция в минеральном масле. Содержание кальциевой соли алкилсалициловой кислоты в масле-растворителе находится в пределах 25-30%, а карбоната кальция - 6-9%.

Кальциевая соль сульфонатного производного с щелочным числом 120-400 мг КОН/г (щелочной сульфонат кальция) вырабатывается промышленностью под товарными марками С-150 (ТУ 38.101685-84), КНД (ТУ 38.1011283-89) со щелочным числом не менее 120 мг КОН/г, К-312 (ТУ 0257-114-40065452-2000), С-300 (ТУ 38.101444-76) со щелочным числом не менее 300 мг КОН/г, К-313 (ТУ 0257-016-40065462-01) со щелочным числом 390-400 мг КОН/г. Применяется как моющая присадка и является коллоидной дисперсией карбоната кальция в минеральном масле, стабилизированной сульфонатом кальция. Массовая доля сульфоната кальция составляет не менее 28%.

Применение в составе масла смеси указанных зольных присадок не только повышает моющие свойства, но вследствие подбора в солях определенного соотношения радиуса твердого ядра карбоната кальция в заявляемом диапазоне еще и повышает антифрикционные свойства моторного масла.

Полиметакрилат марки «Д» вырабатывается промышленностью под товарной маркой ПМА «Д» по ТУ 6-01-270-94. Присадка предназначена для улучшения низкотемпературных свойств масел и повышения их вязкости, представляет собой полимер эфиров метакриловой кислоты и смеси первичных спиртов C₁₂-C₁₆ нормального строения, условная молекулярная масса которого составляет 12000-17000.

Полиметилсилоксан вырабатывается промышленностью под товарной маркой ПМС-200А по ОСТ 6-02-20-79. Присадка применяется для улучшения антипенных свойств масел и представляет собой смесь полимеров метилсилоксанов линейной и цилиндрической структуры с молекулярной массой в пределах 2500-3500. Массовая доля кремния в присадке составляет 36-39%.

Спиртовой дивинилбензол-изопрен с молекулярной массой 15000-25000 вырабатывается промышленностью за рубежом под товарной маркой Shellvis-260 и импортируется. Применяется как загущающая присадка.

Фенил-α-нафтиламин вырабатывается промышленностью под товарной маркой «Неозон А» по ТУ 6-14-202-74. Присадка является ингибитором окисления на фенольной и аминной основе и применяется для улучшения антиокислительных свойств масел. Является твердым веществом с температурами плавления 62-63°C, кипения - 224°C при 12 мм рт.ст., хорошо растворимым в этаноле, диэтиловом эфире, бензоле и других углеводородных растворителях.

Диалкилдитиофосфат цинка в расчете на содержание фосфора в готовом масле 0,08-0,12 вырабатывается промышленностью под товарными марками ДФ-11, ДФБ, ВНИИ НП-354, А-22, А-23 по ТУ 38.401-58-314-2002. Присадка предназначена для улучшения антиокислительных, антикоррозионных и противоизносных свойств масел и в своем составе содержит цинка не менее 10 мас.%.

Беззольный алкенированный или алкилированный сукцинимид, используемый в масле в количестве, соответствующем 0,1-3,0% азота, вырабатывается промышленностью под товарными марками С-5АБ (ТУ 38. 401-58-130-95), К-51 (ТУ 38.401-58-383-2007), С-5А (ТУ 38.101146-77). Применяется в качестве диспергирующей присадки со щелочным числом не менее 20 мг КОН/г. Может являться масляным раствором модифицированного бором алкилсукцинимида.

Продукт полимеризации эфиров метакриловой кислоты и смеси жирных первичных спиртов вырабатывается промышленностью под товарными марками ПМА«Д»-110, К-110 по ТУ 0257-037-40065452-03. Применяется в маслах в качестве депрессорной присадки полиметакрилатного типа. Молекулярная масса полимера - от 2800 до 3200.

Блок-сополимер окиси этилена и пропилена на основе этилдиамина вырабатывается промышленностью под товарной маркой Дипроксамин-157 по ТУ 6-14-614-76. Присадка применяется для улучшения деэмульгирующих и антиокислительных свойств масел. Массовая доля азота - 0,5-0,55%, массовая доля золы - не более 0,5%.

Маловязкое дистиллятное масло с кинематической вязкостью 2-4 мм²/с при 100°C вырабатывается промышленностью под товарной маркой веретенное АУ по ТУ 38.301-29-71-94 и ТУ 38.1011232-89. Применяется в качестве компонента базовых масел. Представляет собой высокоочищенное нефтяное масло, полученное из малосернистых парафинистых нефтей глубокой селективной очисткой и депарафинизацией, с кислотным числом - 0,05-0,07 мг КОН/г, зольностью сульфатной - 0,005%, температурой вспышки - 165°C и температурой застывания не выше минус 45°C.

Остаточный компонент с кинематической вязкостью 15-20 мм²/с при 100°C вырабатывается промышленностью под товарной маркой МС-20 по ТУ 38.101265-88. Применяется в качестве компонента базовых масел. Представляет собой продукт селективной очистки сернистых нефтей с температурой застывания - минус 15°C, температурой вспышки - не менее 258°C, цветом на колориметре ЦНТ - 50 ед.

Полиальфаолефиновое масло с кинематической вязкостью 3-5 мм²/с при 100°C вырабатывается промышленностью под маркой ПАОМ-4 по ТУ 0253-004-54409843-2004. Применяется в качестве компонента базовых масел и представляет собой продукт олигомеризации высших альфаолефинов.

Продукт гидрокаталитических процессов с кинематической вязкостью 3-6 мм²/с при 100°C вырабатывается промышленностью под маркой изопарафинового масла VHVI-4 по ТУ 0253-026-00148599-2002. Применяется в качестве компонента основы гидравлических и моторных масел.

Кальциевая соль алкилфенольного производного (щелочной алкилфенолят кальция) вырабатывается промышленностью под товарными марками ВНИИ НП-714 (ТУ 0257-007-11246224-96), ВНИИ НП-7120 (ТУ 0257-008-11246224-93), ВНИИ НП-715 (ТУ 38.401734-89). Применяется в качестве моющей присадки, получаемой карбонатацией сульфидалкилфенолята кальция. Представляет собой коллоидную дисперсию карбоната кальция, стабилизированную сульфидалкилфенолятом кальция. Смесь кальциевой соли алкилфенольного производного с кальциевой солью сульфонатного производного с щелочным числом 120-400 мг КОН/г для предлагаемого масла готовят в соотношении солей между собой (3-5):1.

Заявляемую композицию моторного масла готовят по следующей технологии. Базовое масло по п.1 формулы изобретения готовят введением в соотношении (12-15):1 в предварительно разогретое до 110-120°C маловязкое дистиллятное масло с кинематической вязкостью 2-4 мм²/с при 100°C остаточного компонента с кинематической вязкостью 15-20 мм²/с при той же температуре и перемешивают эти компоненты в течение 3,5-4 ч до получения однородной массы по всему объему емкости.

В базовое масло по п.1 формулы изобретения или взятое по п.2 формулы изобретения, предварительно разогретое до 110-120°C, при перемешивании последовательно вводят загуститель - спиртовой дивинилбензол-изопрен с молекулярной массой 15000-25000 до получения требуемой вязкости (12,5 мм²/с при 100°C) и депрессорные присадки до получения требуемой температуры застывания (минус 45°C). Затем при температуре 70-90°C в поток или смесь вводят оставшиеся присадки. Порядок введения присадок в потоке: моющие, диспергирующие, антиокислительные, деэмульгатор и антипенная. Перемешивание осуществляют в течение 3,5-4 ч до получения однородной массы по всему объему емкости. Однородность полученного моторного масла определяют по показателям кинематической вязкости при 100°C и щелочного числа.

Для обоснования заявляемого качественного и количественного состава моторного масла были приготовлены 30 опытных образцов (табл.1-3). В табл.1 представлен компонентный состав приготовленных опытных образцов моторного масла с использованием в качестве моющих присадок, взятых по п.1 и п.3 формулы изобретения, а в качестве базового масла - смеси маловязкого дистиллятного масла с кинематической вязкостью 2-4 мм²/с при 100°C с остаточным компонентом с кинематической вязкостью 15-20 мм²/c при той же температуре. В табл.2 представлен компонентный состав приготовленных опытных образцов моторного масла с использованием в качестве моющих присадок, взятых по п.1 и п.3 формулы изобретения, а в качестве базового масла - полиальфаолефинового масла с кинематической вязкостью 3-5 мм²/с при 100°C, а в табл.3 - компонентный состав приготовленных опытных образцов моторного масла с использованием в качестве моющих присадок, взятых по п.1 и п.3 формулы изобретения, а в качестве базового масла - продукта гидрокаталитических процессов с кинематической вязкостью 3-6 мм²/с при 100°C.

Приготовленные опытные образцы моторного масла прошли лабораторные испытания с оценкой их физико-химических свойств (табл.4-6). Определение физико-химических свойств проводили в соответствии со стандартизированными методиками: вязкость кинематическую при 100°C определяли по ГОСТ 33, индекс вязкости - по ГОСТ 24371, температуру застывания - по ГОСТ 20287, температуру вспышки в открытом тигле - по ГОСТ 4333, вязкость динамическую при температуре минус 25°C - по ASTM D 5293, вязкость динамическую при температуре минус 30°C - по ASTM D 4684, щелочное число - по ГОСТ 11362, зольность сульфатную - по ГОСТ 12417, коррозионность - по ГОСТ 20502. Антиокислительные свойства масла оценивали по показателю стабильности по индукционному периоду осадкообразования по ГОСТ 11063, а по приросту вязкости - на установке ИКМ-40 по ГОСТ 20457; противоизносные свойства - на четырехшариковой машине трения по ГОСТ 9490; антифрикционные свойства - на вибротрибометре CETR UMT-3.

Эффективность физико-химических свойств предлагаемого моторного масла по значениям показателей, полученным в результате проведенных лабораторных испытаний приготовленных опытных образцов, оценивали в сравнении со значениями аналогичных показателей для масла-прототипа (табл.4-6, столбец 14). Из результатов лабораторных испытаний, представленных в таблицах 4-6, видно, что количественный состав компонентов предлагаемого моторного масла отвечает эксплуатационным требованиям в соответствии с пределами, приведенными в формуле изобретения. А именно это образцы №№2-4, 7-9, 12-14, 17-19, 22-24, 27-29 в заявленных пределах по составу соответствуют требованиям, предъявляемым к маслам класса вязкости 4з/14. Кроме того, по противоизносным и антифрикционным свойствам (пункты 11 и 12 таблиц 4-6) образцы №№2-4, 7-9, 12-14, 17-19, 22-24, 27-29 превосходят масло-прототип.

Улучшение противоизносных и антифрикционных свойств предлагаемого моторного масла достигнуто в процессе исследования влияния соотношения радиуса твердого ядра карбоната кальция в смеси моющих присадок в маслах. Степень влияния соотношения радиуса твердого ядра карбоната кальция в диапазоне 0,15-0,35 в смеси кальциевой соли алкил(C₁₂-C₂₄) салициловой кислоты с щелочным числом 50-300 мг КОН/г с кальциевой солью сульфонатного производного с щелочным числом 120-400 мг КОН/г определяли в сопоставлении с маслом-прототипом путем испытаний опытных образцов масел на вибротрибометре (табл.7): чем меньше значение диаметра пятна износа и коэффициента трения, тем лучше соответстввенно противоизносные и антифрикционные свойства масла. Как видно из данных табл.7, заявляемый диапазон соотношения радиуса твердого ядра карбоната кальция в солях моющих присадок способствует улучшению противоизносных и антифрикционных свойств масла в сравнении с маслом-прототипом.

Для подтверждения соответствия заявляемой композиции моторного масла требованиям эксплуатационной группы «Д» образцы №№4, 8, 12, 18, 23, 28 и масло-прототип прошли испытания на моторных установках. В табл.8 представлены результаты оценки антиокислительных и противокоррозионных свойств этих образцов на установке ИКМ-40 по методу ГОСТ 20457, а в табл.9 - результаты оценки моющих, противоизносных и противокоррозионных свойств на установке ИМ-1 по методу ГОСТ 20303.

Результаты испытаний показали, что предлагаемый образец масла (образцы №№4, 8, 12, 18, 23, 28) превосходит масло-прототип по антиокислительным (пункт 1 табл.8) и противоизносным свойствам (пункты 7,8 табл.9) и не только сохраняет уровень, но и превосходит его по антикоррозионным (пункт 2 табл.8) и моющим свойствам (пункты 4,5 табл.9).

Заявленная совокупность признаков (качественный и количественный состав компонентов в моторном масле) позволяет сделать вывод, что предлагаемый состав масла значительно отличается от известного заменой новыми компонентами, а именно смесью кальциевой соли алкил(C₁₂-C₂₄)салициловой кислоты с щелочным числом 50-300 мг КОН/г с кальциевой солью сульфонатного производного с щелочным числом 120-400 мг КОН/г, имеющей соотношение радиуса твердого ядра карбоната кальция в одной соли к радиусу твердого ядра карбоната кальция в другой соли в диапазоне 0,15-0,35, спиртовым дивинилбензолом-изопреном с молекулярной массой 15000-25000, фенил-α-нафтиламином, диалкилдитиофосфатом цинка в расчете на содержание фосфора в готовом масле 0,08-0,12, беззольным алкенированным или алкилированным сукцинимидом, используемым в масле количестве, соответствующем 0,1-3,0% азота, продуктом полимеризации эфиров метакриловой кислоты и смеси жирных первичных спиртов, полиальфаолефиновым маслом с кинематической вязкостью 3-5 мм²/с при 100°C или продуктом гидрокаталитических процессов с кинематической вязкостью 3-6 мм²/с при 100°C, смесью кальциевой соли алкилфенольного производного с кальциевой солью сульфонатного производного с щелочным числом 120-400 мг КОН/г. Кроме того, известные компоненты применяются в ином процентном соотношении.

Эксплуатационные свойства предлагаемого масла улучшены за счет подбора эффективного сочетания ингибиторов окисления, дающего сверхсуммарный эффект, и соотношения радиуса твердого карбонатного ядра в моющих присадках (щелочных алкилсалицилате и сульфонате кальция) в заявленном диапазоне.

Применение изобретения позволит расширить ассортимент универсальных всесезонных моторных масел для высокофорсированных бензиновых двигателей и турбонаддувных дизелей с улучшенными антиокислительными, противоизносными и антифрикционными свойствами в условиях высокотемпературного окисления и низких (до минус 45°C) температур применения масла без снижения его моющих и противокоррозионных свойств.