Влияние моторного масла на расход топлива. Научное обоснование и противоречия

Поскольку значительная часть потерь энергии в двигателе внутреннего сгорания приходится на перемешивание жидкостей, тенденция энергосбережения сместилась с SAE 40 и 50 в 1960-1980-х годах в сторону маловязких масел нынешних классов вязкости 20 и ниже.

Использование моторных масел с низкой вязкостью значительно снижает потери энергии в основных подшипниках и системах поршень/цилиндр, в то время как контактные нагрузки на клапанный механизм, особенно в двигателях с плоскими толкателями, увеличиваются. Это весомый аргумент в пользу внедрения новых классов модификаторов трения и противоизносных присадок. Однако разработка сбалансированной рецептуры не так проста, как кажется. Из-за взаимодействий различных присадок можно столкнуться с многочисленными неожиданностями. Еще одна серьезная проблема заключается в том, что определение «экономичное моторное масло» не конкретно, так как оно зависит от выбора точки отсчета. В настоящее время оценка экономии топлива основана на тестах Sequence VIE или VIF с использованием бензинового двигателя GM V6 объемом 3,6 л 2012 года выпуска. Неудивительно, что результаты этого теста в значительной степени вводят в заблуждение при экстраполяции на современные высокофорсированные малолитражные двигатели. Поэтому появляется множество тестов экономии топлива, индивидуальных для OEM-производителей и различные конструкции двигателей часто дают противоположные результаты. Кроме того, характеристики «экономии топлива» одного и того же масла в одном и том же двигателе могут резко меняться в зависимости от ездового цикла. Например, масло с низкой вязкостью может повысить экономию топлива на крейсерских скоростях (высокая скорость/низкий предел нагрузки) и ухудшить экономию топлива при агрессивном движении по городу (низкая скорость/высокая нагрузка).

Все вышеуказанные обстоятельства необходимо учитывать при формулировке выводов о нормативных характеристиках и ожиданиях потребителей.

Простые правила экономии топлива. Но не все так линейно.

Новые стандарты экономии топлива для автомобилей, установленные правительствами крупнейших стран G20 и изменение требований клиентов, вызванное высокими ценами на топливо, наряду с налогами на выбросы углерода, воздействуют на автопроизводителей. В США Национальная администрация безопасности дорожного движения (NHTSA) и Агентство по охране окружающей среды (EPA) выпустили требования для экономичных транспортных средств (SAFE), которое устанавливает жесткие стандарты экономии топлива и выбросов углекислого газа. Эти стандарты применяются к легковым автомобилям и легким грузовикам и устанавливают нормативы топливной экономии, которая будет увеличиваться на 1,5% в год с модельных годов 2021 до 2026. Следует отметить, что с учетом реалий рынка, расход должен быть снижен до 40,4 миль на галлон (прогнозируемая общая средняя требуемая экономия топлива по отрасли в 2026 миль на галлон) по сравнению с 46,7 миль на галлон, прогнозируемыми ранее, в 2012 году.

Это показывает, что прогресс довольно болезненный, амбициозные цели не могут быть достигнуты без прочной технологической основы и мощных финансовых стимулов для изменения. Другие рынки следуют той же тенденции.

Сравнение стандартов экономии топлива на ключевых рынках транспортных средств (Источник: ICCT, сентябрь 2019 г.)

В Европе Европейский парламент и Совет приняли Регламент (ЕС) 2019/631, который устанавливает стандарты выбросов CO2 для новых легковых автомобилей и новых фургонов на 2025 и 2030 годы. С 2021 года средний целевой показатель выбросов новых автомобилей для всего парка ЕС установлен на уровне 95 г CO2/км. Это соответствует расходу топлива около 4,1 л/100 км (57,4 миль на галлон) бензина или 3,6 л/100 км (65,3 миль на галлон) дизельного топлива. Сегодняшний средний уровень выбросов CO2 для новых автомобилей, продаваемых в ЕС, составляет около 120 г CO2/км. Производители автомобилей платят штраф в размере 95 евро за каждый г/км сверх нормы.

В новых японских стандартах экономии топлива, выпущенных в 2021 году, установлен целевой показатель экономии топлива в бензиновом эквиваленте для автопарка на уровне 25,4 километра на литр (59,8 миль на галлон) к 2030 году, что примерно на 30% меньше, чем сегодня.

Эти политические и экономические факторы активизируют исследования и разработки, предпринимаемые крупными OEM-производителями в их стремлении повысить эффективность использования топлива. Помимо согласованных усилий по электрификации трансмиссии и использованию альтернативных источников энергии для сокращения выбросов парниковых газов (ПГ), большое внимание уделяется пониманию трибологических аспектов потерь энергии в трансмиссии и использованию современных достижений в области смазочных технологий и покрытий для минимизации этих потерь. Для поощрения таких экологических инноваций производителям предоставляются «кредиты на выбросы» за внедрение инновационных технологий, которые должны, на основе независимо проверенных данных, привести к снижению выбросов CO2, даже если процедура испытаний, используемая для утверждения типа транспортного средства, не продемонстрировала никакого эффекта. Кроме того, затраты на разработку, материальные затраты и затраты на производство всегда являются важными факторами при оценке рыночного потенциала того или иного подхода.

Приблизительно одна треть расхода топлива в автомобилях связана с потерями на трение, причем одним из главных виновников является трение в трансмиссии. Поэтому разработка силовых агрегатов с низким коэффициентом трения рассматривается как важная задача.

Роль моторного масла в разработке силовых агрегатов с низким коэффициентом трения

Считается, что автомобильные двигатели работают преимущественно в гидродинамическом режиме. Таким образом, снижая вязкость смазочного материала, можно уменьшить потери в двигателе и улучшить топливную экономичность автомобиля.

График поясняет, как работает эта стратегия: слева показана фактическая кривая крутящего момента типичного серийного двигателя 1,6 л GDI, а справа показана кривая момента трения для того же двигателя, измеренная с использованием моторного стенда. Трение «съедает» около 1/10 полезного крутящего момента, который может производить двигатель. Тот факт, что момент трения увеличивается с частотой вращения двигателя, свидетельствует о гидродинамическом режиме смазки. Таким образом, переход на смазку с более низкой вязкостью помогает снизить момент трения при высоких оборотах.

За последние два десятилетия наблюдается устойчивая тенденция использования смазочных материалов с более низкой вязкостью, см. рис. 4. Таким образом, в 2015 году стандарт SAE J300 был пересмотрен и теперь включает три новых более легких класса вязкости: SAE 16, 12 и 8. Более тяжелые сорта PCMO SAE xW-40, xW-50 и xW-60 становятся нишевыми продуктами. Спецификация ILSAC GF-6 даже не включает вязкость выше 5W-30. Смазочные материалы для трансмиссий также следуют этому примеру: стандарт SAE J306 был пересмотрен в 2019 году, добавлены классы вязкости SAE 75, 70 и 65.

Для легковых автомобилей переход с устаревшего сорта SAE 10W-40 на 0W-20 приносит в среднем 5% улучшение экономии топлива в условиях испытаний WLTP, а последующий переход на 0W-8 может принести дополнительные 5% при условии, что двигатель сможет безопасно работать с такой низкой вязкостью. Для большегрузных автомобилей эффект гораздо меньше: переходя с устаревшего SAE 15W-40 на 5W-20, можно сэкономить не более 2% в условиях ESC, а в условиях ETC и того меньше. Многие старые конструкции двигателей не могут работать с маслом низкой вязкости.

Продолжающаяся тенденция к использованию смазочных материалов с более низкой вязкостью и более низким SAPS.

Однако существует основное препятствие для дальнейшего снижения вязкости смазочных материалов: это износ. Толщина гидродинамической пленки смазки прямо пропорциональна вязкости смазки. Следовательно, для сохранения гидродинамического режима смазки придется изменить характеристики шероховатости поверхности, модернизировать масляный насос и систему фильтрации масла. Без этого появляется реальная угроза чрезмерного износа.

На схемах показана смоделированная карта потребления топлива пассажирского автомобиля для двигателя современного легкового автомобиля и смоделированная карта состояния подшипников для него (по Д.Э. Сандеру и др.) Посередине показано изменение удельного расхода топлива при торможении при переходе с SAE 0W-20 (слева) на 0W-8 (посередине), зеленая область соответствует улучшению топливной экономичности, красная область – ухудшению топливной экономичности.

WLTP - Worldwide Harmonized Light-Duty Vehicles Test Procedure (Всемирная гармонизированная методика испытаний для легковых автомобилей)

Удельный расход топлива можно сократить до 20%. К сожалению, максимальный эффект ограничен правой частью карты: средними и высокими оборотами двигателя и низкой нагрузкой. Такие условия относятся к повышенным оборотам двигателя. При оборотах около холостого хода экономия снижается до 10%. А наиболее неприятным местом является красная область при низких оборотах и ​​высокой нагрузке двигателя, поскольку обозначает не только ухудшение топливной экономичности, но и повышенный риск износа.

Аналогичные тенденции наблюдаются и для большегрузных дизельных двигателей, см. рис. 6. В их случае еще более очевидно, что максимальный эффект экономии топлива достигается при малой нагрузке и высоких оборотах, а наибольший износ происходит при высоких нагрузках и низких оборотах, близко к холостым оборотам двигателя. Для многих двигателей проблемы начинаются уже при переходе с устаревшего API CJ-4 или его обратно совместимого преемника API CK-4 на менее вязкое моторное масло FA-4. В то же время в некоторых новых двигателях, например от Scania и DAF, можно безопасно использовать такие легкие масла, как 5W-20 и даже 0W-16.

Возможные проблемы с износом при сверхнизкой вязкости HDEO (Heavy Duty Engine Oils).

Вышеприведенные примеры показывают, что смазочная пленка может разрушиться в условиях низкой скорости и высокой нагрузки. Проблемы на высоких оборотах в основном связаны с недостаточной производительностью масляного насоса и могут быть решены с помощью насосов переменной производительности. При высоких оборотах двигателя повышенную роль играют также силы инерции, действующие на кривошипно-шатунный механизм и кавитационные эффекты. Это может вызвать проблемы с верхней головкой шатуна, поршневым пальцем и подшипниками. Как правило, смазочные материалы с низкой вязкостью менее склонны к кавитации и пенообразованию.

Поскольку гидродинамическая пленка не сохраняется при отсутствии относительного движения трущихся поверхностей, проблемы износа, связанные с введением маловязких масел, еще более усугубляются при внедрении технологии старт-стоп. Использование электрических масляных насосов, подшипников качения для распределительного вала и балансирного вала помогает смягчить проблему. Коленчатые валы с опорой на роликовые подшипники также были опробованы, но оказались непрактичными.

Составы моторных масел можно точно настроить для достижения оптимальных характеристик в конкретных условиях. Например, моторное масло может быть разработано таким образом, чтобы лучше всего работать при высоких оборотах двигателя и температуре, как в случае с гоночными маслами. Тем не менее, именно гоночное масло не было бы хорошим выбором для дорожных автомобилей в городских условиях с частыми остановками. Наоборот, можно разработать моторное масло, которое будет лучше всего работать в городском режиме с частыми остановками, но не обязательно будет обладать энергосберегающими свойствами.

Например, свойства масла BIZOL Green Oil+ отлично защищают мотор при городской эксплуатации

В отличие от гоночных масел, «гражданские» смазочные материалы разработаны так, чтобы сбалансировать большинство различных свойств, своего рода сознательный и неизбежный компромисс во всем. Поскольку топливная экономичность считается чрезвычайно важным аспектом производительности — на самом деле, многие одобрения OEM прямо требуют этого — переход на более низкие вязкости будет продолжаться. Однако, следует признать, что масла для экономии топлива не имеют большого экономического смысла для конечного потребителя – мы говорим об экономии топлива примерно в 100 евро по сравнению с риском в несколько тысяч евро, если масло будет слишком жидким и не сможет защитить двигатель. Но выгода от этих масел достается автопроизводителям. Если их транспортные средства могут сэкономить 1-2% топлива за счет использования специального смазочного материала, то это сократит сумму штрафов за отступление от требований законодательства.

Использование модификаторов трения в моторных маслах

Повышенные требования к характеристикам смазочных материалов объясняют неуклонный рост доли синтетических смазочных материалов на рынке за последние два десятилетия. Синтетические базовые масла имеют множество преимуществ: лучшее постоянство свойств, более высокая устойчивость к окислению, лучшие свойства текучести при низких температурах, низкая летучесть и т. д. В сочетании с соответствующими присадками синтетические базовые масла могут использоваться для производства смазочных материалов с выдающимися свойствами. Один тип присадок заслуживает особого упоминания, поскольку речь идет о моторных маслах, обеспечивающих экономию топлива: модификаторы трения. Модификаторы трения являются незаменимым инструментом «умной нефтяной инженерии»

Переход на топливосберегающее полностью синтетическое моторное масло.

Модификаторы трения можно грубо разделить на три основные категории:

1. системы частиц (ПТФЭ, графит, графен, MoS2, WS2, IF-WS2, наноборная кислота, наночастицы олеата меди/меди и т. д.);

2. системы, образующие адсорбционный слой, которые, в свою очередь, могут быть мономолекулярными (моноолеат глицерина, моноолеат сорбитана, триглицериды жирных кислот, эфиры гидроксикарбоновых кислот, фосфатные эфиры, боратные эфиры, жирные кислоты, жирные амиды, жирные амины, сульфурированные жиры и др.)

3. полимерные (метакрилаты, сложные полиэфиры, полиэфиры, полиамиды, полимеризованные растительные масла и др.).

Основным преимуществом дисперсных систем является их относительно высокая химическая стабильность, а их главным недостатком является склонность к расслаиванию. Системы с твердыми частицами имеют тенденцию придавать составу смазочного материала непрозрачный вид, что не всегда приемлемо. Система модификации трения частицами используется, например, в пакете присадок к моторному маслу Lubrizol 21307. Системы формирования адсорбционного слоя многочисленны: на рынке представлены сотни коммерческих продуктов.

1. Синергетическая система модификатора трения, содержащая полимерный модификатор трения и молибденовую добавку. 2. Измерения АСМ, показывающие силу отталкивания за счет поверхностного слоя геля

Основное различие между мономолекулярными и полимерными модификаторами трения заключается в компактности адсорбированных слоев. В то время как мономолекулярные OFM имеют тенденцию образовывать плотные «щеткообразные» молекулярные слои, полимерные OFM создают «гелеобразные» адсорбционные слои. Эти слои вызывают отталкивание между поверхностями — так же, как это делают полимерные диспергаторы — способствуя так называемому эффекту «суперсмазывающей способности»: они имеют тенденцию смещать кривую Штрибека влево, расширяя диапазон гидродинамического режима смазки в сторону более высоких нагрузок.

Плотно упакованные щеткообразные структуры, по-видимому, обеспечивают наилучший эффект снижения трения в лабораторных испытаниях, таких как HFRR, штифт на диске, Cameron-Plint, MTM и т. д. С другой стороны, они более склонны вытеснять другие поверхностно-активные частицы из-за конкурентной адсорбции. Например, глицерилмоноолеат может эффективно вытеснять фосфоротиоат молибдена с поверхности. По той же причине молибденовые присадки теряют эффективность при использовании в сочетании с некоторыми базовыми маслами на основе сложных эфиров (эстеров).

Смешанные системы могут сочетать суперсмазывающую способность с граничной смазывающей способностью. Например, полимеризованное растительное масло обычно содержит небольшие количества жирных кислот и неполных эфиров глицерина. Полимерные молекулы обеспечивают стерическое отталкивание между трущимися поверхностями, а жирные кислоты и неполные эфиры глицерина повышают граничную смазывающую способность.

Поверхностные гелеобразующие модификаторы с меньшей вероятностью будут участвовать в конкурентной адсорбции, поскольку у них меньше «якорей» на единицу площади. Это позволяет разрабатывать рецептуры, сочетающие благоприятные противозадирные свойства с эффектом «сверхсмазывающей способности».

Аналогичный эффект суперсмазывания можно испытать при ходьбе по скользким камням морского берега. Слизь водорослей, растущая на камнях, удерживает достаточно толстый слой воды, который действует как смазка между вашими ногами и поверхностью камня. Без этой слизи прочность водяной пленки была бы недостаточной, чтобы выдержать вес вашей ноги. Адсорбционные слои, образованные такими поверхностно-гелеобразующими сверхсмазывающими добавками, являются вязкоупругими (или псевдопластичными) и обладают благотворным трибологическим эффектом, поскольку они уменьшают трение и износ, а также связанное с этим рассеяние энергии и генерацию шума. Они также помогают растворять твердые частицы, действуя как полимерные диспергаторы. Расклинивающую силу между двумя поверхностями в присутствии таких добавок можно непосредственно измерить с помощью атомно-силовой микроскопии.

Растворимые в масле неорганические модификаторы трения, такие как ди(2-этилгексил) фосфодитиоаты молибдена, жирные амиды молибденовой и вольфрамовой кислот, диалкилфосфодитиоат сурьмы, эфиры борной кислоты, могут действовать двумя различными способами.

Во-первых, они действуют путем адсорбции – и их сродство к металлических поверхностей обычно выше, чем для органических модификаторов трения.

Во-вторых, они могут подвергаться трибомутации в условиях экстремального давления и/или сдвига, откладывая слои твердой смазки на контактирующих трущихся поверхностях. Так, производные молибдена превращаются в MoS2, вольфрама — в WS2, бората — в борную кислоту и т. д. При этом существенную роль в процессе приработки играют неорганические модификаторы трения. Это свойство также служит основой для механохимической обработки поверхности и приводит к снижению трения и износа, см. схему.

Влияние ZDDP и неорганических модификаторов трения на трение в клапанном механизме.

Влияние моторного масла на трение в двигателе различных конструкций

Как уже упоминалось во введении, переход на смазку с более низкой вязкостью помогает уменьшить трение в двигателе. Лучший способ проиллюстрировать это — использовать испытательные установки с двигателями внутреннего сгорания. При производстве установок использовались бывшие в употреблении, но работающие серийные двигатели 2L i4. Установки работали без давления с использованием внешнего беспульсного электрического масляного насоса для подачи масла. Кроме того, для снижения пульсаций использовался тяжелый маховик. Основное различие между двигателями заключалось в поверхности стенок цилиндра: хонингованный чугун по сравнению с термическим напылением, а также тип клапанного механизма: механический толкатель прямого действия (DAMB) по сравнению с коромыслом с роликовым толкателем (RFF).

График показывает влияние температуры масла на трение в двигателе. Как и ожидалось, более низкая температура масла связана с более высоким трением. Для более старой конструкции двигателя (двигатель A: Ford Duratec), в которой используются обычные чугунные гильзы цилиндров и клапанный механизм DAMB, наблюдается небольшое увеличение трения на низких оборотах: это может быть связано с разрушением гидродинамической масляной пленки и чрезмерным граничным трением в клапанном механизме и кривошипном механизме. Для более новой конструкции двигателя (правый график: Mercedes Benz M133) с напылением и клапанным механизмом RFF момент трения почти линейно зависит от частоты вращения двигателя. Это показывает, что новая конструкция позволяет эффективно использовать гидродинамический режим трения.

Двигатель Mercedes М133 – спортивный мотор от AMG с великолепными характеристиками. Старт выпуска – 2013 год.

На схеме ниже показано влияние класса вязкости масла при рабочей температуре 90°С. Переход от устаревшего класса SAE 10W-40 к 0W-16 позволяет почти вдвое снизить трение двигателя на высоких оборотах. Однако эффект становится все меньше при переходе на более низкие обороты. Интересно, что для более старых двигателей масло с самой низкой вязкостью дает самое высокое трение на низких оборотах. Это еще раз показывает, что разрушение гидродинамической масляной пленки может быть реальной проблемой.


Наконец, следующий графи показывает, как трение двигателя зависит от использования модификатора трения в составе смазочного материала. Можно видеть, что двигатель с клапанным механизмом DAMB и обычными чугунными цилиндрами получает больше преимуществ от применения модификаторов трения, чем двигатель с клапанным механизмом RFF и цилиндрами с термическим напылением. Это показывает, что использование модификаторов трения имеет смысл только в том случае, если граничное трение вносит существенный вклад в общие потери энергии.

Некоторые сведения о гибридных силовых агрегатах

Гибридные силовые агрегаты ставят новые задачи перед разработчиками масел: поскольку двигатель ДВС не работает постоянно во время эксплуатации автомобиля, он может не достичь рабочей температуры. Это создает условия для конденсации воды на стенках силового цилиндра с последующим скоплением воды в картере. Поскольку OFM являются поверхностно-активными, они помогают растворять воду и отводить ее от картера. Электроника управления силовым агрегатом должна периодически включать ДВС, чтобы нагревать масло и испарять лишнюю воду.

Еще одним важным аспектом, почему OFM (органические модификаторы трения) так важны для моторных масел для гибридных автомобилей, является дополнительная экономия топлива. Гибриды, как правило, используют масла с низкой и сверхнизкой вязкостью: от 0W-20 (Volvo, Mercedes) до 0W-8 (Honda). Вязкость масла оказывает доминирующее влияние на экономию топлива в диапазоне высоких скоростей и низких нагрузок. Однако в реальной жизни этот режим работы относительно неважен. С другой стороны, OFM помогают улучшить экономию топлива в диапазоне низких скоростей и высоких нагрузок, который находится ближе к оптимальной зоне двигателя и является наиболее интересным с практической точки зрения. Кроме того, OFM помогают свести к минимуму зависимость от неорганических модификаторов трения, которые могут быть потенциально вредными для оборудования управления выхлопом. На рис. 14 показано, что органические модификаторы трения могут успешно конкурировать с MoDTC по эффекту снижения трения.

Данные испытаний МТМ по сравнению двух коммерческих органических модификаторов трения с MoDTC в базовом масле на основе полиальфаолефинов. Были использованы следующие условия испытаний: SRR 50%, нагрузка 36 Н, температура 100°С.

И последнее, но не менее важное: полимерные OFM прекрасно работают в сочетании с маслорастворимыми полиэфирными (OSP) и эфирными базовыми маслами, которые часто используются в смазочных материалах со сверхнизкой вязкостью (марки 0W-8 и 0W-12), тогда как молибденовые присадки оказываются менее эффективными в этом случае.

В Японии переход на масло SAE 0W-20 начался уже примерно в 1980 году, а первый продукт, аналогичный SAE 0W-16 (в то время не существовало обозначений J300 для классов вязкости ниже SAE 20), был представлен в 2010 году. Toyota активно продвигает технологию SAE 0W-8, которая обеспечивает экономию топлива в среднем на 3-4% по сравнению с SAE 0W-20. Был разработан новый тест экономии топлива JASO, который, возможно, заменит существующий Sequence VIF в будущей спецификации ILSAC GF-7. Разработка нового стандарта, известного как JASO M364:2019 и спецификации масла JASO GLV-1 была завершена в 2019 году. Для теста на экономию топлива можно использовать двигатель Toyota 2ZR-FXE 1,8 л или стендовый двигатель Nissan MR20DD 2,0 л. Предлагаемые пределы экономии топлива для новой спецификации JASO GLV-1 составляют > 1,1% (при сжигании) и > 2. 0% (двигатель) по сравнению с эталонным маслом SAE 0W-16. ILSAC GF-7 вряд ли появится раньше 2025 года — если вообще появится, принимая во внимание все препятствия, задержки, непомерно высокую стоимость и ограниченную полезность категории ILSAC GF-6.

Выводы

Моторное масло является важным элементом при разработке силовых агрегатов с низким коэффициентом трения. Переход на моторное масло с низкой вязкостью является эффективным способом снижения потерь на трение в двигателях внутреннего сгорания. Однако масло с низкой вязкостью имеет тенденцию снижать защиту от износа, что требует использования модификаторов трения и противоизносных присадок в составах смазочных материалов для картера. Ожидается, что вместе с более широким внедрением синтетических базовых масел модификаторы трения будут играть все более важную роль в будущем.