Для того, чтобы маловязкие масла обеспечивали достаточную защиту дизельных двигателей тяжёлой техники и грузового транспорта, важно детально изучить стабильность на сдвиг. Ведущий научный сотрудник компании Infineum по изучению модификаторов трения Изабелла Голдминтс говорит о некоторых шагах, которые предпринимаются в исследовании способности различных всесезонных моторных масел сохранять свою вязкость.
Озабоченность экологическими и экономическими проблемами дала толчок существенным изменениям в конструкции форсированных дизельных двигателей, особенно, в плане снижения токсичности отработавших газов, борьбы с шумом и энергоснабжения. Новые требования усиливают нагрузку на смазочный материал, и при этом во всё большей степени ожидается, что современные смазочные материалы будут обеспечивать безупречную защиту двигателя в течение длительных интервалов замены. Трудностей прибавляют и требования производителей двигателей (OEM) по обеспечению смазочными материалами экономии топлива за счёт сниженных потерь на трение. Это означает, что вязкость моторных масел для тяжёлой техники и грузового транспорта будет снижаться и дальше.
Всесезонные масла и модификаторы вязкости
Модификаторы вязкости (англ. «Viscosity improvers, VII») добавляются в моторные масла, чтобы повысить индекс вязкости и получить всесезонные масла. Содержащие модификаторы вязкости масла становятся неньютоновскими жидкостями. Это означает, что их вязкость зависит от скорости сдвига. С использованием таких масел связаны два феномена:
Временная потеря вязкости при высокой скорости сдвига – полимеры выстраиваются в направлении потока, что приводит к обратимому разжижению масла.
Необратимые потери при сдвиге там, где полимеры разрушаются – стабильность к такому разрушению является мерой стабильности на сдвиг.
Испытание на стенде Курта Орбана в течение 90 циклов успешно используется для определения стабильности масел на сдвиг.
Начиная с момента внедрения, всесезонные масла постоянно тестируют, чтобы определить стабильность на сдвиг как нового, так и уже используемого масла.
Например, для моделирования постоянной потери вязкости в форсированных дизельных двигателях проводится испытание на форсуночном стенде по методу Курта Орбана в течение 90 циклов. Этот тест успешно используется для определения стабильности масел на сдвиг, и уже твёрдо установлена его корреляция с результатами применения в двигателях 2003 года выпуска и позже.
Однако, форсированные дизельные двигатели меняются, что усугубляет условия, вызывающие сдвиг вязкости смазочного материала. Если мы хотим, чтобы масла и дальше обеспечивали надёжную защиту от износа в течение всего интервала замены, необходимо полностью понимать процессы, происходящие в самых современных двигателях.
Конструкция двигателей требует дальнейшего тестирования
Для соблюдения норм по содержанию NOx в отработавших газах, производители двигателей вначале внедрили системы рециркуляции отработавших газов (EGR). Система рециркуляции (повторной подачи) отработавших газов способствует накоплению сажи в поддоне картера, и в большинстве двигателей, выпущенных до 2016 г., загрязнение сажей сливаемых масел составляло 4-6%. Это привело к разработке масел стандарта CK-4, которые могли выдерживать сильное загрязнение сажей и не демонстрировать чрезмерного роста вязкости.
Однако, чтобы выполнить требования по почти полному отсутствию NOx в отработавших газах, теперь производители оборудуют современные двигатели более сложными системами доочистки отработавших газов, в том числе системами селективного каталитического восстановления (SCR). Эта инновационная технология обеспечивает более эффективную работу двигателя и намного снижает сажеообразование по сравнению с двигателями, выпущенными до 2016 г., что означает, что загрязнение сажей теперь пренебрежимо мало воздействует на вязкость масла.
Такие изменения вместе с другими значительными усовершенствованиями в технологиях двигателестроения подразумевают, что теперь важно исследовать возможности товарных пакетов присадок с модификатором вязкости, которые добавляются в современные масла стандарта API CK‑4, используемые в тех двигателях, которые соответствуют новым нормам токсичности отработавших газов.
В то же время, необходимо понять, по-прежнему ли эффективны лабораторные тесты, используемые нами для оценки эксплуатационных свойств смазочных материалов, и хорошо ли они соотносятся с фактическими результатами использования этих материалов в современных двигателях.
Одним из важнейших свойств масла является сохранение им вязкости в течение всего интервала замены, и, как никогда ранее, важно понимать функции модификатора вязкости во всесезонных маслах. С учётом этого компания Infenium провела ряд лабораторных и полевых испытаний модификатора вязкости (далее МВ), чтобы детально исследовать действие современных смазочных материалов.
Полевое испытание противоизносной защиты
Первым этапом научно-исследовательской работы стало установление эксплуатационных характеристик смазочного материала при применении его в полевых условиях. Для этого компания Infineum провела полевое испытание различных типов МВ для разных по вязкости масел. Использовались двигатели с условиями, в значительной степени способствующими сдвигу, и малым сажеообразованием – типичные модели, устанавливаемые на современных грузовых автомобилях или тяжёлой технике.
Два самых популярных типа МВ – гидрированные сополимеры стирола с бутадиеном (ССБ) и сополимеры олефина (СПО). Используемые в испытании масла классов вязкости SAE 15W-40 и 10W-30 содержали именно эти полимеры и были произведены на основе базовых масел Группы II с соответствующим API CJ-4 (предыдущей спецификации от CK-4) пакетом присадок. В ходе испытания масла менялись с интервалом примерно 56 км, в это время отбирались пробы, которые тестировались по ряду параметров. Первым было обнаружено, что все используемые масла сохраняли как кинематическую вязкости при 100 °С, так и высокотемпературную вязкость при высокой скорости сдвига при 150 °С (HTHS), вне зависимости от содержащегося в них МВ.
Также особое внимание уделялось продуктам износа металлов, так как маловязкие масла используются для обеспечения соответствующей экономии топлива, и некоторые производители выражают обеспокоенность по поводу способности этих маловязких масел в достаточной степени защищать от износа. Однако в ходе испытания не возникло никаких вопросов по поводу износа при использовании какой-либо пробы масла, если судить по содержанию продуктов износа металлов в отработавшем масле, – никакой фактической разницы между маслами с различными типами МВ или различной вязкости.
Все использовавшиеся в полевом испытании масла достаточно эффективно защищали от износа на протяжении всего испытания. Также в течение всего интервала замены масла отмечалось минимальное падение вязкости.
Будущие масла стандарта PC-11
Однако, вязкость смазочных материалов и дальше снижается, и важно подготовиться к следующему поколению моторных масел. В Северной Америке принята категория PC-11, в рамках которой внедряется новая «топливоэкономичная» подкатегория – РС-11 В. Соответствующие ей масла по вязкости будут относиться к классу SAE xW-30 с динамической вязкостью при высокой температуре (150 оС) и высокой скорости сдвига (HTHS) 2,9-3,2 мПа·с.
Чтобы оценить предпосылки для появления в будущем масел PC-11, было смешано несколько тестовых проб так, чтобы их высокотемпературная вязкость при высокой скорости сдвига составила 3,0-3,1 мПа·с. Они прошли 90 циклов испытания по Курту Орбану, и после этого были измерены их кинематическая вязкость (КВ100) и высокотемпературная вязкость при высокой скорости сдвига (вязкость HTHS при 150 °C). Зависимость HTHS-КВ для таких масел подобна той, что наблюдается для масел с большой высокотемпературной вязкостью при высокой скорости сдвига. Однако так как эти пробы по вязкости находятся на нижней границе классов SAE , после сдвига скорее их КВ100 опустится ниже предела по классу вязкости, чем вязкость HTHS. Это означает, что при разработке масел PC-11 B более важным будет требование к сохранению КВ100 в пределах, установленных классом вязкости для кинематической вязкости при 100 °С, чем к сохранению вязкости HTHS при 150 °С.
Результат таких тестов показывает, что потеря вязкости может зависеть от вязкости и типа базового масла, вязкость смазочного материала и концентрации полимеров. Помимо этого, ясно, что у масел меньшей вязкости лучше стабильность на сдвиг полимеров даже при 90 циклах в испытании по методу Курта Орбана.
Сравнение результатов полевых и стендовых испытаний
Для подтверждения результатов, полученных в лаборатории, компания Infenium проанализировала промежуточные пробы и пробы, взятые по прошествии интервала замены в 56 км в полевых испытаниях. Сравнение данных стендовых и полевых испытаний показывает, что метод ASTM даёт возможность точно предположить сдвиг полимеров в полевых условиях даже в современных высокофорсированных дизельных двигателях.
Это исследование показывает, что можно быть уверенным в том, что стендовое испытание в течение 90 циклов по методу Курта Орбана является хорошим индикатором потери вязкости и способности сохранять класс вязкости, которых можно ожидать при использовании масел в современных дизельных двигателях.
По нашему мнению, так как смазочные материалы предназначены не только для обеспечения защиты от износа, но также для снижения расхода топлива, важно не только выбирать тот модификатор вязкости, чей состав и структура будут придавать высокую стабильность на сдвиг, но также уделять большое внимание кинематической вязкости.
Как работает модификатор вязкости ?
Состояние полимера при низкой температуре
Работа полимера при повышении температуры
Возможно, вы сталкивались с «красной масленкой» - страшилкой автомобилиста, одной из наиболее вероятных причин ее появления является необратимое разрушение модификатора вязкости. Плавное снижение давления в двигателе на протяжении срока эксплуатации масла – так же свидетельствует о незапланированном разрушении полимера (МВ).
К сожалению это случается не так редко, ввиду того что в открытой продаже имеются все компоненты для создания моторного (и не только моторного) масла, помимо базового масла и пакета присадок, содержащего готовые соответствия требованиям производителей, в продаже можно найти и модификаторы вязкости.
Проблема только в одном – сырьевая база из которой будет сформулирован готовый продукт сильно разнится по качеству, а на исследования стабильности продукта могут уйти многие месяцы (ходовые испытания) и существенные денежные средства.
Никакой органолептический анализ, ни вкус, ни цвет, ни запах, не поможет потребителю отделить качественный продукт от некачественного. Потребителю остается лишь доверится производителю, в связи с чем следует внимательно выбирать производителя базового масла и присадок. Правильной технологией является не просто добавление присадок, а работа над всеми сырьевыми компонентами.
