Влияние моторного масла на расход топлива
Влияние моторного масла на расход топлива является темой, вызывающей активные дискуссии в научных и автомобильных кругах. Моторное масло, будучи ключевым элементом в работе двигателя, исполняет несколько функций: смазка, охлаждение, очищение и защита от коррозии. Его физико-химические свойства, такие как вязкость и содержание добавок, существенно влияют на эффективность combustion процесса и, следовательно, на расход топлива.
Научные исследования показывают, что масла с низкой вязкостью могут способствовать снижению трения между движущимися частями двигателя, что приводит к улучшению топливной экономичности. Однако стоит отметить, что использование таких масел может вызвать некоторые проблемы с износом и надежностью при экстремальных условиях эксплуатации.
С другой стороны, существует мнение, что оптимизация расхода топлива может вызывать дополнительные противоречия. Некоторые эксперты утверждают, что производители масел могут недооценивать влияние температуры и рабочего состояния мотора на расход. Таким образом, выбор моторного масла – это тонкий баланс между экономией топлива и долговечностью двигателя, что требует комплексного подхода и глубокого понимания характеристик используемого продукта.
Внутренние потери энергии в двигателях внутреннего сгорания, в значительной степени вызванные перемешиванием жидкостей, привели к смещению предпочтений в сторону маловязких масел с классами вязкости 20 и ниже вместо SAE 40 и 50, которые использовались в 1960-1980-х годах.
Применение масел с низкой вязкостью существенно уменьшает потери энергии в основных подшипниках и системах поршень/цилиндр; однако это также увеличивает контактные нагрузки на клапанный механизм, особенно в двигателях с плоскими толкателями. Этот фактор подчеркивает необходимость разработки новых классов модификаторов трения и противоизносных добавок. Однако создание сбалансированной формулы является сложной задачей из-за взаимодействий различных присадок, что может привести к неожиданным результатам. Также следует отметить, что понятие «экономичное моторное масло» остается расплывчатым, так как его определение зависит от выбранной точки отсчета. В настоящее время экономия топлива оценивается по тестам Sequence VIE или VIF с использованием бензинового двигателя GM V6 3,6 л 2012 года, что может ввести в заблуждение при применении к современным высокофорсированным малым моторам. Различные испытания экономии топлива, специфичные для OEM, могут показывать противоречивые результаты, а характеристики одного и того же масла могут значительно меняться в зависимости от условий вождения. Эти факторы стоит учитывать при формировании выводов о нормативных характеристиках и потребительских ожиданиях.
Нововведенные стандарты для экономии топлива, которые были приняты правительствами стран G20, а также изменяющиеся предпочтения потребителей из-за роста цен на топливо и введения налогов на углеродные выбросы, оказывают влияние на производителей автомобилей. В Соединенных Штатах Национальная администрация безопасности дорожного движения (NHTSA) совместно с Агентством по охране окружающей среды (EPA) внедрили требования для автомобилей с высокой топливной экономичностью (SAFE), которые устанавливают строгие нормы для расхода топлива и уровня выбросов углекислого газа. Эти регуляции касаются легких автомобилей и грузовиков, с ежегодным увеличением стандартов на 1,5% с 2021 по 2026 годы. В то же время, согласно рыночным реалиям, средний расход должен составлять 40,4 мили на галлон, что ниже ранее прогнозируемых 46,7 миль на галлон, озвученных в 2012 году.
Это подчеркивает, что достижения целей сопряжены с серьезными трудностями, и амбициозные планы требуют надежной технологической базы и значительных финансовых стимулов. Аналогичные тренды наблюдаются и в других регионах.
В Европе Европейский парламент внедрил регламент, согласно которому к 2025 и 2030 годам будут установлены строгие нормы выбросов CO2 для новых легковых автомобилей.
Политические и экономические обстоятельства способствуют усилению исследований и разработок крупных OEM-производителей, направленных на улучшение топливной эффективности. Вместе с совместными усилиями по электрификации трансмиссий и внедрению альтернативных ресурсов для снижения выбросов парниковых газов (ПГ), акцентируется внимание на изучении трибологических факторов, влияющих на энергетические потери в трансмиссиях, а также на применении современных смазочных технологий и покрытий для их минимизации. В таких инновациях производители получают "кредиты на выбросы" за внедрение технологий, которые должны снижать уровень выбросов CO2, даже если тестирование типовой процедуры не демонстрирует этого эффекта. Кроме того, расходы на разработку, сырье и производство остаются важными факторами при оценке рыночной привлекательности различных подходов.
Примерно треть потребления топлива автомобилей обусловлена трением, причем основным фактором являются потери в трансмиссии. Именно поэтому необходимо разрабатывать силовые агрегаты с низким трением.
Роль моторного масла в таких разработках подразумевает уменьшение вязкости смазки, что снижает потери в двигателе и способствует экономичности. Использование смазочных материалов с пониженной вязкостью все более распространено, что демонстрируют изменения в стандартах SAE за последние два десятилетия. Различные переходы на новые сорта масла также показали свою эффективность в улучшении топливной экономичности, особенно для легковых автомобилей.
Наблюдается продолжающийся рост использования смазочных материалов с низкой вязкостью и низким содержанием SAPS. Однако основным препятствием для дальнейшего снижения вязкости является износ компонентов. Толщина гидродинамической пленки напрямую зависит от вязкости смазки. Таким образом, для сохранения гидродинамического режима необходимо модифицировать характеристики шероховатости поверхности, а также обновить масляный насос и систему фильтрации. В противном случае возникает серьезная угроза повышенного износа.
На диаграммах представлена смоделированная карта расхода топлива для современного легкового автомобиля и состояние подшипников согласно исследованиям Д.Э. Сандера и других. В центральной части показано, как изменяется удельный расход топлива при переходе от SAE 0W-20 к 0W-8. Зеленая зона отмечает улучшение топливной экономичности, в то время как красная — ухудшение.
WLTP (Всемирная гармонизированная методология испытаний для легковых автомобилей) допускает сокращение удельного расхода топлива до 20%, однако максимальный эффект наблюдается только при высоких оборотах и малой нагрузке, а при низких оборотах и высокой нагрузке фиксируется не только ухудшение экономичности топлива, но и риск износа.
Когда отсутствует относительное движение между трущимися поверхностями, гидродинамическая пленка не сохраняется, что усугубляет износ, особенно при использовании маловязких масел и технологии старта-стоп. Для решения этой проблемы применяются электрические масляные насосы и подшипники качения на распределительном и балансирном валах. Также рассматривали коленчатые валы с роликовыми подшипниками, но они оказались неэффективными.
Формулы моторных масел можно точно адаптировать для идеальной работы в специфических условиях. Например, масла для гонок оптимизируются для высоких оборотов и температур, но они не подходят для городских автомобилей с частыми остановками. Напротив, можно создать масла, которые лучше всего функционируют в условиях городского трафика, хотя не обязательно обладают характеристиками экономии топлива.
Например, BIZOL Green Oil+ демонстрирует отличные защитные свойства в городских условиях.
В отличие от гоночных, обычные смазочные жидкости стремятся к балансу различных характеристик, что считается необходимым компромиссом. С ростом значимости экономии топлива, переход к более низким вязкостям будет продолжен, хотя это может не всегда оправдывать затраты для конечных пользователей. Однако выгоды от таких масел получают производители автомобилей, снижая риск штрафов и увеличивая эффективность своих транспортных средств.
Переход на полностьюsynthetic top fuel-saving моторное масло подразумевает использование различных модификаторов трения, которые можно условно распределить на три главные категории:
Частичные системы (такие как ПТФЭ, графит, графен, MoS2, WS2, IF-WS2, наноборная кислота и наночастицы олеата меди).
Системы, формирующие адсорбционный слой, которые могут быть мономолекулярными (например, моноолеат глицерина, триглицериды жиров и фосфатные эфиры).
Полимерные системы (включая метакрилаты, сложные полиэфиры и растительные масла).
Основное преимущество дисперсных систем заключается в их высокой химической стабильности, однако их уязвимость к расслоению остаётся значительным недостатком. Системы с твердыми частицами могут придавать маслу непрозрачный цвет, что иногда нежелательно. Например, модификация трения с использованием частиц присутствует в присадках моторного масла Lubrizol 21307.
Основное отличие между мономолекулярными и полимерными модификаторами в компактности адсорбированных слоев; мономолекулярные образуют плотные щеткообразные структуры, тогда как полимерные создают гелевые слои, обеспечивая эффект "суперсмазывающей способности".
Поверхностные гелеобразующие модификаторы имеют меньший потенциал для конкурентной адсорбции из-за меньшего количества «якорей» на единицу поверхности. Это создает возможность разработки формул, которые объединяют желаемые противозадирные свойства с эффектом «сверхсмазывания».
Пример эффекта суперсмазывания можно наблюдать, когда вы идете по скользким морским камням. Слизь водорослей, покрывающая камни, удерживает толстый слой воды, который выполняет функцию смазки между вашими ногами и каменной поверхностью. Без этой слизи водяная пленка была бы слишком слабой, чтобы поддержать вес ноги. Адсорбционные слои, формируемые такими модификаторами, обладают вязкоупругими и псевдопластичными свойствами, что способствует снижению трения и износа, а также уменьшению потерь энергии и шума. Они также активно способствуют растворению твердых частиц, действуя как полимерные диспергаторы. Измерить расклинивающую силу между поверхностями таких добавок можно с помощью атомно-силовой микроскопии.
Неорганические модификаторы трения, растворимые в масле, такие как ди(2-этилгексил) фосфодитиоаты молибдена и жирные амины, могут действовать двумя способами: через адсорбцию с большим сродством к металлическим поверхностям и через трибомутацию, образуя твердые смазочные слои.
График иллюстрирует, как температура масла влияет на трение в двигателе. Как и следовало ожидать, при более низкой температуре масла увеличивается уровень трения. У старой конструкции двигателя (двигатель A: Ford Duratec), использующей традиционные чугунные цилиндровые гильзы и клапанный механизм DAMB, наблюдается небольшое повышение трения на низких оборотах. Это может быть связано с разрушением гидродинамической масляной пленки и высоким граничным трением в клапанном и кривошипном механизмах. В свою очередь, новая конструкция двигателя (правый график: Mercedes Benz M133) с напылением и клапанным механизмом RFF демонстрирует, что трение зависит от частоты вращения почти линейным образом, что свидетельствует о более эффективном использовании гидродинамического режима.
Двигатель Mercedes М133, спортивный мотор от AMG, был запущен в производство в 2013 году. На следующем графике показано влияние вязкости масла при температуре 90°С. Переход от масла SAE 10W-40 к 0W-16 сокращает трение на высоких оборотах почти вдвое, хотя на низких оборотах эффект уменьшается. Интересно, что для старых моторов низковязкое масло вызывает наибольшее трение при низких оборотах, что подчеркивает проблемы с гидродинамической пленкой.
В следующем графике видно, как трение двигателя меняется в зависимости от применения модификаторов трения. Двигатель с клапанным механизмом DAMB выигрывает больше от использования этих добавок в сравнении с двигателем RFF. Это подчеркивает актуальность использования модификаторов в случаях, когда граничное трение значительно влияет на общие потери энергии.
Относительно гибридных силовых агрегатов, у разработчиков масел возникли новые вызовы, поскольку ДВС не всегда достигает рабочей температуры. Это может приводить к конденсации воды в механизме, поэтому OFM помогают удалять влагу из картера. Также, электроника управления должна время от времени активировать ДВС для прогрева масла.
Важность OFM заключается в экономии топлива, особенно в гибридных автомобилях, где используются масла с низкой и сверхнизкой вязкостью. В реальных условиях работы низкие скорости и высокие нагрузки, в которых OFM значительно улучшают экономию топлива, являются более значимыми. Это также помогает уменьшить зависимость от потенциально вредных неорганических модификаторов. На рисунке 14 видно, что органические модификаторы трения эффективно снижают трение на уровне с MoDTC.
Результаты испытаний МТМ показали сравнение двух коммерческих органических модификаторов трения с MoDTC в базовом масле на основе полиальфаолефинов. Для тестов были установлены следующие параметры: SRR 50%, нагрузка 36 Н, температура 100°С. Важно отметить, что полимерные OFM отлично функционируют в сочетании с маслорастворимыми полиэфирными и эфирными маслами, зачастую применяемыми в смазочных материалах с ультранизкой вязкостью (например, 0W-8 и 0W-12), тогда как эффективность молибденовых присадок в этих условиях может быть ниже.
В Японии переход на масла категории SAE 0W-20 начался примерно в 1980-х годах, и первый продукт, соответствующий SAE 0W-16, был представлен в 2010 году. Toyota активно продвигает масла SAE 0W-8, которые обеспечивают экономию топлива на уровне 3-4% по сравнению с SAE 0W-20. Также был разработан новый тест на экономию топлива JASO, который может заменить Sequence VIF в спецификации ILSAC GF-7, ожидание появления которой до 2025 года вызывает сомнения из-за ряда факторов.
В заключение, моторное масло играет ключевую роль в создании двигателей с низким коэффициентом трения. Переход на масла с низкой вязкостью является эффективным, однако требует использования модификаторов трения для поддержания защитных свойств. С ростом популярности синтетических базовых масел важность модификаторов будет увеличиваться.
