19.01.2013
Моторные масла: будущие тенденции

Новые поколения двигателей, основанные на оптимизированных технологиях, способствуют развитию разработки концепции специальных масел «на заказ».
   Продолжающаяся оптимизация процесса сгорания в целях повышения эффективности привела к разработке бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива в цилиндр {GDI двигатели), позволяющих сократить расход топлива почти на 20%. А в области дизельных двигателей непосредственный впрыск с помощью индивидуальных насосов или системы впрыска с общим нагнетательным турбонаддувом под давлением вплоть до 3000 атм стал нормой. Эти конструкции, первоначально разработанные для двигателей грузовых автомобилей, позволяют увеличить мощность двигателя вплоть до 50% при почти постоянном расходе топлива.
   Снижение выбросов с выхлопными газами является высшим приоритетом для грузовых и легковых автомобилей. Предельные значения, установленные для Евро 2 и Евро 3 (с 2001 г.), могут быть легко превышены путем применения специальных систем рециркуляции выхлопных газов и каталитической нейтрализации. В связи с ужесточающимися требованиями по предельным выбросам твердых частиц (макс. 0,025 г/км), Евро 4 для легковых автомобилей (с 2005 г.) предусматривает установку фильтров для улавливания твердых частиц (DPF) из выхлопных газов быстроходных дизельных двигателей. Введение Евро 4 для грузовых автомобилей и автобусов (октябрь 2006 г.) требует дальнейшего снижения выбросов NO_x (и твердых частиц). Для этого требуется дальнейшая оптимизация процесса сгорания и/или более продвинутое оборудование для очистки выхлопных газов, например для селективного каталитического восстановления (SCR) окислов азота, или применение дополнительных фильтрующих систем для улавливания сажи. Поскольку эти новые двигатели и системы очистки выхлопных газов нуждаются в малосернистых, а лучше всего, не содержащих серы дизельных топливах (менее 10 ppm S), к смазочным материалам для этих двигателей будут предъявлены новые требования.
   Кроме того, обработка поверхностей поршней и цилиндров улучшилась до такой степени, что топологически обусловленный расход масла неуклонно снижается, как показано на рис. 1.

Сумма этих мер приводит к стабильному повышению температур масла и удельных нагрузок. Следует также иметь в виду неуклонное увеличение интервалов между заменами масла. В результате три фактора будут характеризовать моторные масла будущего — эффективное топливосбережение, длинные интервалы между заменами масла и низкие выбросы.

  Топливосберегающая эффективность

В результате строгого ограничения расхода топлива в США (CAFE — Калифорнийский закон о выбросах при сжигании топлив) и доказанного топливосберегающего эффекта маловязких моторных масел этой тематике уделяется немалое внимание и в Европе, и в Азии. Экономия топлива за счет двигателя теоретически может достигнуть 8-10% ( рис. 2).

Поскольку моторные масла не могут полностью устранить фрикционные потери, потенциальная экономия 4-5% топлива является очень проблематичной. Однако 3—4% сбережения топлива возможны уже сегодня.
   По мнению экспертов, в городских условиях снижение расхода топлива легковыми автомобилями достигается путем снижения фрикционных потерь во время холодных запусков двигателя, что одновременно приводит к меньшему износу и снижению вязкости масла при постоянном дросселе. Как показано на рис. 2, существует пластообразный оптимум для коррелятивной экономии топлива в двигателях с HTHS значениями вязкости в пределах 2,52—2,9 мПа·с. (HTHS -  High temperature high shear - вязкость масла при высокой температуре и высоком срезающем усилии). Критическая граница условий сильного износа видна для других значений вязкости. На рис. 3 показан износ поршневых колец в граничных статических условиях трения между 2,6 и 2,7 мПа·с. Предельные значения считаются критическими и устанавливаются автомобилестроителями индивидуально.

Европейские спецификации на топливосберегающие масла содержат интервал от 2,9 до 3,5 мПа·с, причем экономия топлива при испытании в М 111 FE должна быть не менее 2,5% по сравнению с эталонным маслом. Следует иметь в виду, что абсолютные значения экономии топлива во многом зависят от метода испытаний и эталонного масла. Стандартизированные динамометрические испытания отражают условия эксплуатации автомобиля и дают значения более точно, чем стендовые испытания, которые не могут воспроизвести все условия эксплуатации.
  По данным автомобилестроителей, значения HTHS не должны быть ниже чем 2,6 мПа • с, во всех маслах, допущенных автомобилестроителями, и моторных маслах, вновь разрабатываемых, во избежание сильного износа в критическом сочетании пар трения.

Удлиненные интервалы между заменами масла

Озабоченность по поводу износа и, следовательно, срока службы маловязких масел, на которых работают двигатели, противоречит тенденциям двигателей новых поколений, рассчитанных на еще более продолжительные интервалы между заменами масла. По спецификациям, заявленным производителями двигателей, интервалы между заменами масла для легковых автомобилей в настоящее время составляют 30 000 км для бензиновых двигателей и 50 000 км для дизельных двигателей. В последние два-три года увеличение интервалов между заменами масла несколько приостановилось из-за усиленного спроса на более низкое содержание золы, фосфора и серы в масле при одновременном ухудшении условий. Однако в будущем можно ожидать удлинения интервалов между заменами масла. В результате всех этих требований в будущих спецификациях на моторные масла, возможно, появится целая серия новых фирменных методов моторных испытаний.
   Радиоизотопный метод (RNT), как проверенное временем «онлайн»-средство, переживает ренессанс в области исследования влияний рабочих условий на износ, например при приработке или для определения долговременной стабильности. Как видно из рис.4 на примере DI дизельного двигателя с турбонаддувом, для каждой критической пары трения, например привода клапана в подшипнике или в цилиндро-поршневых группах каждого двигателя, можно точно и воспроизводимо выбрать скорость износа и общий износ.

   Кроме долговременного износа, очень высокие требования предъявляются к окислительной стабильности и потере на испарение. Это усиливает тенденцию к синтетическому и нетрадиционному как к основе для таких высокоэффективных моторных масел. Это наглядно показано на рис.5 с графической корреляцией между тенденцией к испарению (НОАК) и расходом масла.

Потери на испарение, показанные на примере ILSAC пороговых значений для GF-2 и GF-3, являются общепризнанными. Технически реализуемой вехой для полностью синтетических моторных масел на базе существующих синтетических масел является 5—6%-ный предел.
   Пригодность удлиненных интервалов между заменами масла испытывают в термически форсированных испытательных двигателях, которые работают с перегревом без подпитки масла. Типичными показателями старения масла являются измеренные вязкость и общая щелочность. На рис. 6 показано влияние базовых масел и потерь на испарение на основании стандартизованного метода VW T 4, применяемого в соответствии с действующими спецификациями, и дано сравнение современных АСЕА масел различных классов вязкости.