Инновационные смазочные материалы

Инновационные смазочные материалы

02.12.2020 - 10:51
Приблизительное время чтения: 9 минут. Интересно, но нет времени читать?

Тема ДВС еще далека от исчерпания. И поскольку автопроизводители продолжают неуклонно повышать эффективность и производительность двигателей, моторное масло также должно работать на все более и более высоком уровне. Обзору новых технологий в области разработки и производства моторных масел, а также меняющихся международных нормативных требований мы посвящаем данную публикацию.

Тенденции современного двигателестроения в автопроме очевидны: большая экономичность, большая мощность с единицы объема, большая экологичность. Поэтому разработка новых молекул и рецептур, повышающих эффективность агрегатов, занимает сейчас большую часть времени химиков и инженеров, трудящихся в компаниях по производству смазочных материалов и присадок.

масла.обзор

Во благо экономии

Тема расхода топлива в данном контексте одна из ключевых, поскольку на нее завязаны и экология, и эффективность, и семейные бюджеты. В России эта тема традиционно имеет небольшое значение, поскольку по большому счету регулируется только общественным мнением, неуклонно нищающим, а, например, в США чрезвычайно бодра. В 2012 г. Агентство по охране окружающей среды (федеральное) постановило, что в 2025 г. в соответствии с нормативами CAFE (Corporate Average Fuel Efficiency) новый автомобиль на одном галлоне топлива должен проезжать 54,5 мили (23,2 км/л). Это не означает, что каждый сходящий с конвейера автомобиль должен соответствовать данному стандарту, но вся модельная линейка производителя – от больших внедорожников и пикапов до компактных гибридов и электромобилей – по усредненному значению CAFE должна укладываться в установленные рамки.

Чтобы вы лучше понимали степень бедствия, уточним, что сегодня этот показатель равен 37,0 мили на галлон (15,7 км/л) – Трамп сделал небольшую поблажку производителям. Тем не менее за пять лет надо изыскать возможность добавить к пробегу на одном галлоне топлива почти 7,5 км – то есть примерно половину. Откуда их взять?

Конечно же, существует много способов повышения топливной экономичности автотранспортных средств. И каждый из них приносит определенные бонусы. По мнению экспертов, моторное масло способно давать до 10–15%, поэтому отказываться от его модернизации никак нельзя. И наиболее предпочтительной стратегией для составителей рецептур и производства присадок в этом контексте является сейчас снижение вязкости моторных масел (надеемся, не надо объяснять почему).

Эта стратегия очень наглядно проявляется в эволюции международной классификации SAE. В начале 1990-х годов самыми популярными сортами были масла 20W-50, 10W-30 и 10W-40. Сейчас на их долю приходится не более 5–10% продаж, а наиболее распространенными стали 5W-20 и 5W-30, занимающие до 60% всего мирового рынка автомобильных масел.

Но и это не предел. Свежие модели Toyota, Honda и некоторых других марок требуют уже моторных масел 0W-20 и 0W-16. Причем Honda недавно сообщила о том, что тестирует моторное масло 0W-8 (и под него уже разработана документация). По сути, это почти вода. Однако, в то время как топливная эффективность, получаемая от масла с более низкой вязкостью, будет варьироваться от двигателя к двигателю, лабораторные испытания показали, что замена масла 10W-40 на масло 0W-20 в идентичном двигателе может привести в среднем к улучшению топливной экономичности на 3–5%.

Поэтому аналитики смело прогнозируют: к 2025 г. доля SAE 0W-20 вырастет с примерно 10% сегодня до почти 50%. Тем самым сделав его самым популярным сортом моторных масел в наступающем десятилетии.

масла.обзор1

Есть проблемы

Но не все так просто – вязкость нельзя уменьшать до бесконечности: чем ниже вязкость, тем более летучими и склонными к испарению становятся базовые фракции. Поэтому необходимо уравновешивать их более «тяжелыми» присадками.

С другой стороны, когда толщина пленки меньше, существует большая вероятность того, что детали двигателя могут соприкасаться друг с другом, провоцируя повышение износа.

Соответственно, для защиты металлических поверхностей может потребоваться больше противоизносных присадок. А поскольку более тонкие масла более восприимчивы к окислению, они требуют и более сильных антиоксидантов.

Кроме того, повысить экономию топлива можно за счет модификаторов трения. Обычно модификаторы представляют собой молекулы с полярной головкой, чаще всего состоящие из карбоновых кислот, гидроксильных групп или металлов, таких как молибден. Они прикреплены к неполярным хвостам, как правило, полученным из олеохимических веществ. При этом полярные головки «прилипают» к металлическим поверхностям, в то время как неполярные хвосты создают гладкую поверхность.

Достигнутые таким путем улучшения являются относительно скромными. Если изменение вязкости приводит, например, к увеличению экономии топлива на 2,5–3,5%, то модификаторы трения могут добавить еще 0,5–1,5%.

Однако применение таких моторных масел запускает обратную связь, и возникает потрясающий синергетический эффект – новые смазочные материалы не только обеспечивают повышенную экономию топлива за счет своих вискозиметрических и фрикционных свойств, но и позволяют внедрять новые технологии двигателей. Которые, в свою очередь, обеспечивают еще большее увеличение как экономии топлива, так и производительности двигателя при более экстремальных рабочих температурах. И так по кругу мы постепенно приходим ко все более и более высоким показателям экономичности (и, как следствие, экологичности) посредством усовершенствований в цепочке «моторное масло – компоненты двигателя».

Самовоспламенение

Еще одна проблема, с которой совершенно внезапно столкнулись двигателестроители, заключается в так называемом LSPI (low-speed pre-ignition) – нежелательном и неконтролируемом предварительном воспламенении топлива, которое может серьезно повредить двигатель с течением времени. Характерна эта проблема исключительно для современных малообъемных моторов с турбонаддувом и непосредственным впрыском топлива, работающих при высокой температуре и давлении.

Беда в том, что эти двигатели, говоря по-простому, производят слишком много для своих размеров энергии – при таком высоком давлении внутри камеры сгорания воздушно-топливная смесь может воспламениться сама по себе. Что-то вроде дизеля. Причем моющие присадки на основе кальция в масле, по мнению многих экспертов, способствуют возникновению LSPI, оставляя отложения кальция в двигателе.

Решением данной проблемы может стать добавление моющих средств на основе магния, которые не представляют такой же угрозы. А сам по себе тест на склонность к LSPI будет важным элементом GF-6 – нового набора стандартов смазочных материалов, который будет выпущен в этом году (он уже существует, но карантинные ограничения и прочие проблемы из-за пандемии вносят некоторые коррективы).

Вот так плавно мы подошли к уже назревшему в отрасли обновлению стандартов моторных масел. Причем это обновление касается не просто изменений, а расширения списка за счет более совершенных и эффективных моторных масел. 

Новые стандарты

Американский институт нефти (API) добавил описание API SN PLUS к своим англоязычным и китайскоязычным руководствам по моторным маслам Oil Matters. API SN PLUS идентифицирует масла, разработанные для обеспечения дополнительной защиты, от уже упомянутого LSPI для бензиновых автомобилей с турбонаддувом и непосредственным впрыском топлива.

В настоящее время API классифицирует две категории PLUS: CI-4 PLUS и SN PLUS.

Ожидается, что следующее обновление категорий моторного масла для легковых автомобилей API будет доступно в 2020 г., как только разрешится ситуация с карантином, хотя Альянс автопроизводителей хотел бы получить его как можно раньше. В это обновление включены новые испытания с более жесткими требованиями к эксплуатационным характеристикам для моторных масел категорий ILSAC GF-6A и GF-6B и впервые – отдельные требования к маслам с более низкой вязкостью. Продукты, соответствующие данным требованиям, будут идентифицироваться посредством нового символа, что, по мнению разработчиков, должно предотвратить имеющие сегодня место ошибки и неправильное применение поставщиками услуг и потребителями.

Предусмотрено и введение новой категории моторных масел для тяжелых двигателей PC-12 – старт пятилетней программы по ее разработке намечен на 2021 г. Она будет учитывать значительные изменения в технологиях двигателестроения вплоть до 2027 г. Текущие категории моторных масел API для тяжелой техники – это API CK-4 и API FA-4, которые были разработаны для удовлетворения требований дорожных дизельных двигателей в 2017 г.

масла.обзор2

Против грязи

Но вернемся к составу масел. В низковязких моторных маслах очень важно эффективно контролировать накопление лака и шлама, чтобы предотвращать увеличение вязкости смазки в течение ее срока службы и тем самым поддерживать стабильную работоспособность двигателя в установленный промежуток времени.

За эту функцию отвечают специальные диспергаторы – диспергирующие добавки, – предотвращающие формирование мелких и крупных агрегатных структур, которые в конечном итоге могут привести к образованию геля, и препятствующие их фазовому отделению от масла на поверхности двигателя.

Эти важные компоненты являются самой большой объемной добавкой, используемой в смазочных материалах (составляют до 50% пакета присадок), и представляют собой полимерные поверхностно-активные молекулы, содержащие по меньшей мере один гидрофобный, растворимый в масле хвостовой сегмент и как минимум один гидрофильный, полярный головной сегмент. Гидрофильная часть диспергатора (головка) взаимодействует с полярными образованиями, присутствующими в масле, в то время как гидрофобная часть (хвост) поддерживает растворимость в масле. Это позволяет удерживать полярные загрязняющие вещества в моторном масле во взвешенном состоянии.

Разработка диспергаторов для контроля шлама/лака и ингибирования высокотемпературных отложений обычно начинается с выбора полимерного хвоста, который отвечает за поддержание растворимости в масле. Наиболее распространенным используемым полимером является полиизобутилен с олефиновой группой на конце молекулы. Концевая группа олефинов позволяет присоединить головку полиамина или полиола.

Однако в современных условиях в сильно загрязненных средах эти обычные диспергаторы не так эффективны, потому что высокоароматическая поверхность частиц сажи иногда может потребовать ароматического диспергатора для эффективного связывания. Замена полиаминовой головной группы на ароматический амин или ароматический эфир при сохранении основной структуры полимера обеспечивает лишь небольшие улучшения. Поэтому сейчас одно из основных усилий химиков сосредоточено на создании более эффективной архитектуры диспергаторов, которая могла бы обеспечивать гораздо более сильное взаимодействие с поверхностью сажи.

Это позволит разительно увеличить срок службы моторного масла без потери его характеристик, не нанося вреда двигателю. По бодрым оценкам экспертов, примерно на 30–40% минимум при нахождении действительно эффективной формулы.

Соевое масло

Впрочем, инновационными сегодня становятся не только технологии самого моторного масла, но и материалы, из которых оно изготовлено. О биосинтетических моторных маслах говорили уже давно, однако реальные товарные партии поступили в продажу, можно сказать, на днях. И, естественно, выпустили их не всем известные химические концерны, а малоприметная компания из новичков на этом фронте.

Тем не менее продукт, изготовленный из высокоолеиновой сои, оказался настолько эффективным, что его одобрили и Американский институт нефти, и Министерство обороны США, и прочие более или менее серьезные ведомства и структуры, так или иначе имеющее отношение к автомобильному транспорту. Проведенные лабораторные и полевые испытания биосинтетических масел 5W20 и 5W30 не только однозначно подтвердили соответствие необходимым эксплуатационным требованиям, но по некоторым критериям даже превзошли их. Они обеспечили высокую эффективность, улучшенную топливную экономичность и более чистую поверхность компонентов двигателей по сравнению с ранее использовавшимся нефтяным маслом.

Причем, как показывает практика, наилучшим образом свойства биосинтетических моторных масел раскрываются при использовании как раз на высоконагруженных режимах в двигателях, работающих при повышенных температурах и давлении. Они демонстрируют увеличенную долговечность и стабильность в течение более длительных промежутков времени – в них гораздо меньше лако- и шламообразование. Опять же, по сравнению с нефтяными моторными маслами.

К тому же биосинтетические моторные масла биоразлагаемы, поэтому их утилизация гораздо более экологична и требует меньших затрат.


Посмотрите похожие материалы: