Сокращение потребления топлива является одной из главных задач каждого водителя. Но кроме желания сэкономить деньги, необходимость в сокращении потребления топлива совпадает с более широкими экономическими заботами и проблемами сохранения окружающей среды. Мы уже рассматривали вопросы, связанные с разработками энергосберегающих автомобилей и ожиданиями со стороны автомобилестроителей. Сведения о том, что масла могут оказать содействие в сокращении потребления горючего и вредных выхлопов, только сейчас начинают оказывать воздействие на сознание рядового потребителя. Но этот факт уже давно хорошо известен в автомобилестроительной промышленности и в секторе экономики, занимающейся транспортными и пассажирскими перевозками.
В данной статье мы рассмотрим вопрос о том, каким образом фирмы — производители смазочных материалов реагируют на требование автомобилестроителей разрабатывать энергосберегающие масла.
Еще до того, как смазочный материал доходит до стадии разработки, проводятся необходимые предварительные исследования. На этом этапе разработчики решают, в каком направлении будет продвигаться исследование. Затем принимается решение по поводу того, какие методы лучше всего подходят для производства данного масла. И здесь необходимо упомянуть ряд факторов, которые оказывают влияние на стратегию разработки нового смазочного материала.
Распределение энергии
Автомобили используют энергию самыми разнообразными путями для того, чтобы преодолеть различные силы, препятствующие движению. Уменьшая трение в двигателе, моторные масла могут существенно повлиять на потребление топлива. При движении в городских условиях, трение в двигателе поглощает от 30% до 40% энергии получаемой от сгорания топлива. Данная цифра может возрасти даже до 50% при определенных условиях езды, например, при движении с непрогретым двигателем или в автомобильных пробках. Именно в условиях малых скоростей и низких температур идея уменьшения потребления топлива выглядит самой привлекательной. Например, при 20°С средний коэффициент трения в двигателе в два — три раза выше, чем при постоянной температуре 90°С. А при температуре -20°С он возрастает в 5-7 раз! Если мы более подробно рассмотрим каким образом распределяется трение внутри двигателя, который запускают при температуре 20°С, а затем он работает постоянно при 2000 оборотах в минуту, то увидим, что пока двигатель не прогрет, трение в основном сконцентрировано в районе коленвала, затем по мере того, как двигатель прогревается оно переходит на поршни, поршневые кольца и гильзы цилиндров.
Трение в двигателе
Используются различные методики калибровки воздействия масел на снижения трения в двигателе, но все зависит от предварительного обзора того, как распределяется трение в двигателе. В нем имеются три зоны, которые наиболее подвержены трению:
- Клапаны и подшипники распредвала
- Поршни, поршневые кольца и гильзы цилиндров
- Коленвал и шатуны
Масло находятся между движущимися поверхностями, где происходит износ, и наблюдается трение. Для того чтобы свести трение к минимуму, и гарантировать, что имеющееся трение не разрушает детали двигателя, в масла вводятся присадки, которые препятствуют износу деталей и сокращают трение. Данные присадки образуют защитную пленку, которая носит название «трибопленки». Эта плёнка активизируется в условиях смешанного трения или сверх высокого трения. С точки зрения гидродинамики, данная масляная пленка, в общем, и целом, предохраняет две трущиеся поверхности от соприкосновения друг с другом. Вот почему соответствующая вязкость масла вступающего в контакт это то, что защищает металлические детали от износа и уменьшает трение.
Большинство моторных масел содержат полимеры, у которых наблюдаются не-Ньютоновские реологические свойства. Для того чтобы установить, какая должна быть вязкость в реальных условиях, нам нужно знать не только температуру, но также и значение скорости сдвига, а также плотность защитной масляной пленки.
Для того, чтобы улучшить знания о связи между составом моторного масла и трением в двигателе, прежде всего, необходимо провести тестирование с использованием различных лабораторных макетов. Некоторые макеты используются только для исследования определенных видов трения, в то время как другие спроектированы для исследования конкретных деталей двигателя. Рассмотрим подробнее некоторые макеты, с помощью которых исследуется трение.
Какие масла и присадки использовать для достижения наилучшего результата?
Оптимальная вязкость масла важный показатель с точки зрения экономии энергии. Вязкость зависит от температуры, скорости сдвига и давления на исследуемых поверхностях. Необычайно трудно проконтролировать сохранение оптимальной вязкости при всех режимах работы двигателя не только в данных условиях эксплуатации, но также во время «старения» масла — а старение оказывает существенное влияние на степень его вязкости.
В некоторых случаях наблюдается значительное «граничное трение» и его так же чрезвычайно трудно объективно измерить. Все эти свойства масла должны оставаться неизменными как можно дольше, т.е. в течение того времени, пока не будет произведена замена масла.
Вот как можно вкратце суммировать влияние каждого компонента масла на его способность экономить топливо:
Базовые масла: исходя из того, что индекс вязкости базового масла должен быть как можно выше, оно при этом должно быть как можно более текучим (жидким). В него добавляют полимерные материалы, увеличивающие вязкость. Но базовое масло также не должно поддаваться окислению, так как вязкость масла увеличивается по мере того, как оно теряет качество («стареет»). Наилучшее сочетание таких параметров, как стоимость и функциональность, наблюдается в III-й группе базовых масел, также известных как «гидрогенерированные базовые масла».
Полимеры, улучшающие индекс вязкости: полимеры могут значительно различаться, когда речь заходит о параметрах скорости сдвига. Осуществление эффективного контроля над скоростью сдвига имеет большое значение в уменьшении гидродинамического трения. Необходимо также помнить, что полимеры необычайно чутко реагируют на изменение температурного режима работы двигателя. Поэтому их следует выбирать исходя, из условий способности масла экономить топливо.
Дисперсанты. Из-за своего высокого молекулярного веса, дисперсанты оказывают аналогичное действие на масло, как и полимеры, имеющие низкий молекулярный вес. Правильный подбор дисперсантов важен для контроля за вязкостью, особенно в холодных условиях. Дисперсанты могут также значительно влиять на процесс изменения вязкости масла с течением времени. Например, при присутствии углеродистых осадков в масле, вязкость при высоких температурах в значительной степени зависит от используемой диспергирующей системы.
Антиокислительные присадки и детергенты помогают маслу сохранять свои свойства во время всего цикла работы. Тем не менее, проводятся испытания с целью выявления компонентов, которые бы лучше всего работали в течение всего срока службы масла.
Противоизносные присадки, дисперсанты и детергенты хорошо известно, что они взаимодействуют с модификаторами трения и помогают образовывать смазывающую пленку на поверхности трущихся деталей. Вывод, какой модификатор трения выбрать, основывается на проведении наблюдений по взаимодействию данного вещества с вышеуказанными материалами.
При проведении окончательного анализа, все и каждый по отдельности компоненты отбираются исходя из того, какие лучшие свойства они проявляют в работе (условия работы двигателя, степень износа и т.д.) и какая достигается при этом экономия топлива. В некоторых случаях бывает просто невозможно определить оптимальное сочетание компонентов масел.
Выгоды, получаемые потребителем
Преимущества по экономии топлива, получаемые при использовании моторных масел, зависят от условий эксплуатации автомобиля:
Тип автомобиля очень важный фактор. Даже имея одного и того же водителя и одинаковые условия проведения тестирования можно наблюдать разницу от 1 до 5 порядков в отношении экономии топлива.
Способ управления автомобилем также очень важен. Управляя по-разному одинаковыми автомобилями, которые движутся со средней скоростью по одинаковой дороге, можно получить различия в экономии топлива до 40% у двух разных водителей.
Тип дороги и температура при запуске двигателя также играют здесь решающую роль.
Что касается пассажирских автомобилей, то при проведении определенных испытаний, связанных с потреблением топлива, обычно применяется цикл MVEG. Данный цикл предусматривает 4 фазы поездок в городских условиях по 195 сек. каждая (около 1 км.), затем поездка за город продолжительностью около 400 сек (примерно 7 км.). Расстроим пример, когда эксплуатируется автомобиль при выполнение поездок среднего радиуса с маслом типа 5W-30 и другой такой же автомобиль, в котором применяется масло типа 15W-40.
В течение всей поездки (а цикл состоял из 11 км пути) и при запуске двигателя при нулевой температуре, автомобиль, в котором использовалось масло типа 5W-30, позволял экономить на 2.8% больше топлива, чем другой автомобиль. При прогретом двигателе (температура масла = 90?С) преимущество составило 1.9%.
Более детальное рассмотрение показывает, что данные результаты представляют большой интерес с точки зрения того, как используются автомобили в Европе:
Экономия топлива на первых километрах пути достигает 6.8% (при нулевой стартовой температуре) и 3.6% (при 90?С) (одна из каждых 4-х поездок водителей в Европе имеет протяженность менее 1 км). При расстоянии более 500 м. экономия составляет от 9% до 10%.
Экономия при поездках на расстояние более 3-х километров достигает 4.8% (при запуске холодного двигателя) и 3.2% (при запуске прогретого) (каждая вторая поездка в Европе совершается на расстояние менее 3 км).
При езде в городских условиях, в целом, экономия составляет 4.3% (при запуске непрогретого двигателя) и 3.0% (при запуске прогретого). При поездках за город, экономия достигает 1% при температуре масла в двигателе 90?С и падает до 0.5%, когда температура масла при запуске двигателя составляет 100?С.
Как мы видим, при использовании одного и того же масла и одинаковых легковых автомобилей, можно получить экономию от 0.5% вплоть до 10%, в зависимости от условий эксплуатации автомобиля. Экономия была бы меньше для грузовых автомобилей, которые в основном используются в междугородних перевозках, и их двигатели работают при более высоких температурах.