Свойства и особенности модификаторов трения
Есть техническая задача в которой нужно разобраться? Задайте свой вопрос эксперту. заполните форму и получите ответ в течении 24 часов.
Важно знать:
Эволюция двигателя внутреннего сгорания по пути повышения эффективности и экономичности в последние годы вступила в стадию борьбы за каждый процент экономии топлива и снижения токсичности отработавших газов. Моторостроители взялись за способы повышения КПД, которыми ранее пренебрегали как несущественными. Это и снижение вязкости моторного масла, и сокращение площади контакта трущихся поверхностей в подшипниках коленчатого и распределительного валов, и пересмотр конструкции поршневой группы. Всё подчинено снижению трения в кривошипно-шатунном и газораспределительном механизмах.
Двигатель Ford Ecoboost
Дизельный двигатель Cummins
Повышение удельных давлений в парах трения механизмов двигателя и соответствующее увеличение интенсивности их износа решено было компенсировать за счет улучшения трибологических характеристик моторного масла. Концепция традиционных противоизносных и противозадирных присадок радикально была пересмотрена и начались активные исследования и поиски новых способов снижения трения и износа.
Новые возможности открылись с появлением модификаторов трения нового поколения на основе молибдена. Известный с XVII века «смазывающий» эффект дисульфида молибдена оказалось сложно применить в современных моторных маслах. Высокие скорости скольжения и малые зазоры в парах трения, наличие высокопрецизионных гидравлических компенсаторов и фильтров тонкой очистки масла не позволяют использовать кристаллический дисульфид молибдена в двигателях. Смелые попытки инженеров компании Liqui Moly применить уникальный эффект не увенчались успехом и моторные масла с коллоидным дисульфидом молибдена распространение не получили.
Но идея не умерла, будучи реализованной на новом технологическом уровне в виде органических соединений молибдена, действующих как «интеллектуальный» модификатор трения. Суть эффекта заключается в локальном выделении дисульфида молибдена в точке вероятного задира рабочих поверхностей и предотвращении их повреждения. Благодаря данному эффекту снижаются износ и потери на трение. Впервые стало реальным снизить рабочую вязкость моторного масла до 6-9 сСт при 100°С, сократив гидравлические потери на трение. Топливная экономичность повысилась на 5-8%.
Однако, маловязкие масла обеспечивают не только снижение гидравлических потерь. Пониженная вязкость моторного масла позволяет кардинально пересмотреть конструкцию и работу поршневой группы, уменьшив сечение компрессионных и маслосъемных колец, а также ослабив их прижим к цилиндру. В этих условиях моторные масла традиционной вязкости SAE 40 стали не применимы, с чем связан их повышенный угар в двигателях нового поколения. Для новейших двигателей американских и японских автопроизводителей разработаны моторные масла рабочей вязкостью SAE 20. Осуществляют переход к маслам SAE 20 и ведущие немецкие автоконцерны. По данным исследований компании Toyota вязкость моторного масла SAE 20 является оптимальным уровнем, ниже которого наблюдается резкое возрастание износа деталей двигателя. Без использования современных высокоэффективных модификаторов трения обеспечить работоспособность двигателя нового поколения невозможно.
Отмечаемое в последнее время снижение ресурсных характеристик новейших двигателей связано вовсе не с технологическим отставанием производителей моторных масел, но с недостатком совместных исследований с наиболее передовыми автомобилестроительными компаниями. Критика же в отношении, якобы, эпохи «одноразовых» двигателей как результата «деградации» моторостроения также не отражает действительность. Очевидно, это состояние носит переходный характер и будет преодолено в результате более тесного сотрудничества моторостроителей и производителей смазочных материалов.
Рассмотрим более подробно механизм защиты от износа на основе трибологической добавки диалкилдитиокарбамата молибдена (MoDTC).
Рис. 1 Структурная формула молекулы диалкилдитиокарбамата молибдена (MoDTC)
Принципиальное отличие органических соединений молибдена от кристаллического дисульфида молибдена (MoS2) состоит в их полной растворимости в маслах и превращении в составную часть смазочного материала. Активизация модификатора происходит только в зоне непосредственного контакта в парах металл-металл в виде микроосадка дисульфида молибдена, который образуется при распаде молибденоорганических молекул под действием высоких контактных температур.
Рис. 2 Слоистая кристаллическая решетка дисульфида молибдена
Скольжение слоев кристаллической решетки дисульфида молибдена напоминает эффект скольжения карт в колоде при горизонтальном усилии, приложенном к её торцовой части. Благодаря высокой адгезии микрокристаллов дисульфида молибдена к металлическим поверхностям, образуется устойчивая защитная пленка, сглаживающая микрорельеф и снижающая трение.
Снижение трения и защита рабочих поверхностей от задира происходит в непрерывном режиме и только в зоне контакта. За счет полной растворимости молибденового модификатора, коагуляция и выпадение в осадок кристаллов дисульфида молибдена не происходит. Благодаря этому эффекту достигается неограниченная применимость моторных масел в высокоскоростных двигателях, оснащенных турбонагнетателями и гидравлическими компенсаторами.
А как обстоит дело с внедрением новейших технологий в такой консервативной области, как коммерческий транспорт и, особенно, тяжелые грузовые автомобили и тракторная техника?
В этой области, конечно, еще далеко до перехода на масла SAE 20, но молибденоорганические модификаторы трения применяются весьма широко. Тяжелонагруженные узлы дизельных двигателей грузовых автомобилей, землеройной, карьерной и строительной техники нуждаются в защите от износа и повышении моторесурса в гораздо большей степени, чем легкомоторный транспорт.
Большинство производителей смазочных материалов предлагает широкую гамму моторных масел, в которых используется молибденоорганические модификаторы трения. Вот некоторые из представленных на рынке России:
Современные моторные масла представляют собой сбалансированный коллоидный раствор многих функциональных присадок в базовом нефтяном или синтетическом масле и лишь благодаря этому способны справляться со своими обязанностями в двигателе.
В данной статье принимаются условия, что присадками к маслу называются вещества вводимые в базовое масла заводе-изготовителе, а добавками к маслу вещества, которые могут вводиться добавочно, для улучшения тех или иных свойств продукта.
До 1933 г для смазывания двигателей внутреннего сгорания в мире использовались нефтяные масла без присадок. В связи с созданием в США фирмой “Катерпиллер” дизельных двигателей с наддувом обострилась проблема пригорания поршневых колец, для решения которой и были впервые разработаны специальные дизельные масла с моющими присадками на основе нафтенатов алюминия.
Практически одновременно с проблемой повышения моющих свойств масел возникла проблема повышения их термоокислительной стабильности при повышенных рабочих температурах. Для высокофорсированных (теплонагруженных) двигателей непригодны нефтяные масла, которые окисляются уже при 120 0 С. Для решения этой проблемы примерно с 1940 г начали применяться антиокислительные присадки (фторуглероды, дитиофосфаты, метанолы и т.п.).
Важнейшей характеристикой моторных масел, главным показателем смазывающих свойств, является их вязкость. От величины вязкости масла зависят его герметизирующие свойства, расход масла на угар и внешние утечки, прокачиваемость по смазочной системе, пусковые качества двигателя, реализация жидкостного или граничного трения в различных фрикционных узлах (а тем самым их износ). Вязкость нефтяных масел при изменении температуры в диапазоне от –20 0 С до 100 0 С уменьшается в тысячу и более раз. Такие масла невозможно использовать для круглогодичной эксплуатации двигателя: если оно обеспечивает возможность работы при высоких температурах, то невозможно запустить двигатель при низких температурах и наоборот. Для эксплуатации двигателя при высоких рабочих температурах и надежного пуска его при низких температурах с 1951 г. начали выпускаться всесезонные масла. Снижение зависимости вязкости таких масел от температуры достигается сочетанием маловязкой базовой основы (которая отвечает за пониженные вязкостные свойства масла при низких пусковых температурах) и специальных полимерных вязкостных присадок, обеспечивающих необходимую вязкость при повышенных рабочих температурах.
Образующиеся при окислении масла низко- и высокомолекулярные органические кислоты вызывают коррозию металла. Так же она может возникать под воздействием сернистых соединений, попадающих в моторное масло при сгорании сернистого топлива. Для предотвращения коррозии металлов используют антикоррозийные присадки, главным образом содержащие органические соединения (сера, фосфор).
Основные типы присадок, которые должно содержать стандартное моторное масло, и их назначение.
Детергентно-диспергирующие
Предотвращают образование нагаров на горячих деталях двигателя (поверхности поршней и особенно верхние канавки поршневых колец). Поддерживают в мелкодисперсном состоянии нерастворимые в масле продукты, предотвращают их высаждение на фильтрах и деталях двигателя, предотвращают образование низкотемпературного шлама.
Антифрикционные, противоизносные и противозадирные
Уменьшают трение и износ деталей, предотвращают развитие задиров — глубинных вырывов материала на поверхностях трения.
Антиокислительные
Тормозят процессы окисления масла при повышенных температурах.
Вязкостные
Увеличивают вязкость базового масла и стабилизируют изменение вязкости масла при изменении его температуры.
Депрессорные
Понижают температуру застывания масла и обеспечивают его подвижность при низких температурах.
Противопенные
Предотвращают вспенивание масла при повышенных температурах и обеспечивают стабильность его подачи к узлам трения.
Моющие
Уменьшают и предотвращают образование низкотемпературных отложений, обеспечивают чистоту деталей.
В настоящее время на территории России присадки в моторные масла практически не производятся.
Ведущие производители смазочных материалов крайне негативно относятся к применению добавок в свою продукцию. Представители фирм-производителей моторных масел таких, как Shell, BP, Mobil заявляют «если бы мы знали добавку, которая могла бы улучшить свойства масла, ее немедленно ввели бы в пакет присадок». Вместе с этим, Джим Кларк, президент американской компании CD-2,, (разработавшей присадку, которая помогла устранить посторонние шумы на крупной партии двигателей концерна General Motors и тем самым спасла его от крупных убытков), производящей добавки к маслам с 1942 года говорит, что никакие добавки в масла не спасут двигатель от капитального ремонта, но срок ремонта могут отодвинуть.
Логически оправдано разделение добавок по структуре и свойствам основных активных компонентов, воздействующих на двигатель. Следует выделить такие группы:
— Реметаллизаторы поверхностей трения.
— Полимеросодержащие антифрикционные препараты.
— Геомодификаторы, ремонтно-восстановительные составы.
— Кондиционеры металлов.
— Слоистые добавки.
— Нанодобавки.
Реметаллизаторы или металлоплакирующие композиции, это особый класс препаратов, базирующийся на аспектах теории самоорганизации (открытии российских ученых Д.Н.Гаркунова и И.В.Крагельского) – явлении избирательного переноса. Механизм действия реметаллизаторов заключается в металлоплакировании трущихся поверхностей (образовании тончайших металлических слоев – сервовитной пленки) вследствии осаждения металлических компонентов, входящих в состав реметаллизаторов во взвешенном или ионном виде. При их применении частично восстанавливаются микродефекты, снижается коэффициент трения, значительно повышается износостойкость плакированных поверхностей. Из отрицательных последствий применения металлоплакирующих добавок следует отметить возможность потери подвижности поршневых колец, увеличение окислительных свойств масла, увеличение нагарообразования, выход из строя каталитических нейтрализаторов.
Полимеросодержащие антифрикционные препараты, включающие в свой состав политетрафторэтилен, поверхностно – активный фторопласт – 4, силикон, перфторполиэфир карбоновой кислоты (эпилам) и некоторые другие полимерные вещества. В настоящее время наиболее распространены препараты этой группы на основе политетрафторэтилена (ПТЭФ) или тефлона. Это обусловлено уникальным сочетанием его свойств: высокая пластичность, химическая и термическая стойкость, высокие антифрикционные возможности, особенно при высоких удельных нагрузках. По данным изготовителей, в процессе обработки ПТЭФ покрывает трибосопряжения, что заменяет трение металл по металлу на полимер по полимеру. Вместе с этим тефлон – теплоизолятор, и наличие тефлонового слоя на стенках камеры сгорания ведет к существенному росту температур газа в цилиндре. С одной стороны, это хорошо, поскольку увеличивается эффективность работы двигателя и снижается выброс СО и СН, с другой – наблюдается практически двукратный рост выхода окислов азота в отработавших газах. Вдобавок наличие фторсодержащих частиц тефлона в зоне горения приводит к образованию в отработавших газах следов ядовитого фосгена. Именно поэтому применение таких препаратов резко ограничено в США и Западной Европе. Отмечены также случаи, когда длительное использование тефлоновых препаратов приводит к закоксованию поршневых колец и, как следствие, перегреву поршней и выходу силового агрегата из строя.
Добавки на основе минералов естественного и искусственного происхождения получили наименование геомодификаторов, ремонтно-восстановительных составов или ревитализаторов или ревиталлизаторов. По своему химическому и фазовому составу они в основном представляют собою смесь измельченного и модифицированного силиката магния – серпентина, являющего формой целого ряда минеральных руд. Действие ремонтно-восстановительных составов (РВС), содержащих минеральные присадки, базируется на уникальных свойствах порошка серпантивита (змеевика), открытых в СССР при бурении сверхглубоких скважин на Кольском полуострове. Тогда неожиданно обнаружилось, что при прохождении слоев горных пород, насыщенных минералом серпантивитом, ресурс режущих кромок бурового инструмента резко увеличивается. Дальнейшие исследования показали, что серпантивит в зоне контакта бура с горной породой разлагается с выделением большого количества тепловой энергии, под воздействием которой происходит разогрев металла, внедрение в его структуру микрочастиц минерала и образование композитной металлокерамической структуры (металл-минерал), обладающей очень высокой твердостью и износостойкостью. В настоящее время предпринимаются многочисленные попытки применить порошки серпантивита для обработки двигателя. Обработка поверхностей трения в моторе действительно наблюдается – происходит микрошлифовка поверхностей цилиндров, растет компрессия, падает скорость износа. Однако, при применении РВС, двигатель теряет температурную стабильность. Так как на пути основного теплоотвода от поршня через поршневые кольца появляется тепловое сопротивление – металлокерамический слой. Помимо этого, в процессе приработки двигателя с РВС из-за резко возросших температур цилиндра значительно увеличивается расход масла, и достаточно часто отпускаются термофиксированные поршневые кольца. В парах трения «шейка коленчатого вала — вкладыш подшипника» происходит не микрошлифовка поверхности с образованием защитного слоя, а абразивный износ, при котором твердые частицы минералов внедряются в мягкие поверхности, нарушая их структуру и ухудшая условия формирования смазочных слоев.
К отдельной группе ремонтно-восстановительных составов относятся кондиционеры металлов, добавки на базе поверхностно и химически активных веществ. Смысл словосочетания «кондиционер металла» можно интерпретировать как препарат и механизм воздействия на процессы трения и изнашивания, позволяющие восстанавливать антифрикционные и противоизносные свойства, а так же химический состав и состояние поверхностей трения за счет введения поверхностно активных веществ. Одним из главных компонентов автомобильных кондиционеров металлов являются галогенированные производные углеводородов, являющиеся соединениями полученные замещением в структурной формуле углеводорода одного или более атомов галогена (хлора, фтора, брома, йода) равным числом атомов водорода. Кондиционирование металла заключается в пластифицированнии активными веществами добавки и формировании на ней тончайшей слоя, по своим свойствам близкого к сервовитной пленке. Ионизированные молекулы кондиционеров металлов, проникая внутрь металлической поверхности, изменяют ее структурный состав и, следовательно, прочностные и антифрикционные свойства. При этом контактирующие друг с другом участки покрываются достаточно устойчивым полимерным и полиэфирным покрытием, создавая эффект Вессбауэра (образование прочного покрытия, «масляной шубы», способного исключить непосредственный контакт трущихся поверхностей), что позволяет существенно снизить потери на трение и интенсивность изнашивания. Данной группе добавок в полной мере присущи те же недостатки, что и у геомодификаторов.
Слоистые добавки включают в свой состав элементы с низким усилием сдвига между слоями – дисульфиды молибдена (MoS2), вольфрама (WS2), тантала (TaS2), ниобия (NbS2), диселиниты молибдена (MoSe2), титана (TiSe2), ниобия (NbSe2), трисульфид молибдена (MoS3), графит (С), нитрид бора (BN – белый графит) и некоторые другие [2]. Механизм их действия основан на том, что например, в кристаллической решетке графита атомы углерода расположены в параллельных плоскостях, отстоящих друг от друга более чем на 0,345 нм, а в каждом слое они размещены в вершинах правильных шестиугольников с длинной сторон 0,142 нм. Так как силы взаимного притяжения между атомами тем меньше, чем больше расстояния между ними, то атомные связи в слоях значительно сильнее, чем между слоями. Это позволяет графиту при трении без особых усилий смещаться вдоль слоев, разделяя трущиеся поверхности. Такая структура определяет специфические свойства графита – низкую твердость и способность легко расслаиваться на мельчайшие чешуйки, что обуславливает применение его в качестве противозадирного и противоизносного элемента. При работе слоистый материал заполняет микронеровности поверхностей трения, снижая износ трущихся поверхностей. Аналогичную структуру имеют дисульфид молибдена и нитрид бора. Применение слоистых препаратов в качестве добавок имеет ряд особенностей: под воздействием кислорода происходит распад дисульфида, а попадающая вода способствует образованию серной кислоты. Так же необходимо отметить, что продукты окисления дисульфидов состоят из оксидов, обладающих высокой абразивной способностью, и серы – коррозионно-активного компонента.
В отдельную и специфическую группу следует вынести препараты, содержащие в своем составе наночастицы (1 нм = 10-9 м) – наноалмазы, фуллерены. Данные нанодобавки содержат смесь наноалмазов и наночастиц политетрафторэтилена с повышенной поверхностной энергией, находящихся в масле в виде нанокасул. При работе двигателя нанокапсулы образуют на металлических поверхностях устойчивую к истиранию при температурах до 500 С фторопластовую пленку, армированную наноалмазами. Пленка обладая свойствами твердой смазки равномерно заполняет все неровности металла, снижая потери на трение и износ. Проблемным вопросом использования нанодобавок являются стабильность в смазочных материалах. Нанотехнологии таят в себе ряд опасностей, в том числе и не исследованных. Так, наночастицы могут проникать через кожу человека и накапливаться во внутренних органах.
Отечественные и импортные добавки к моторным маслам:
Реметаллизаторы поверхностей трения.
RENOM
Metalyz 6/8
Соли пластичных металлов (Cu, Fe, Al, Zn), органические кислоты.
Возможность потери подвижности поршневых колец, увеличение окислительных свойств масла, увеличение нагарообразования, выход из строя каталитических нейтрализаторов.
Полимеросодержащие антифрикционные препараты.
Silk-50
Slider 2000 ФОРУМ
Политетрафторэтилен, поверхностно –активный фторопласт – 4, силикон, перфторполиэфир карбоновой кислоты (эпилам).
Рост температур газа в цилиндре, двукратный рост выхода окислов азота в отработавших газах, наличие фторсодержащих частиц тефлона в зоне горения приводит к образованию в отработавших газах следов ядовитого фосгена, длительное использование тефлоновых препаратов приводит к закоксованию поршневых.
Геомодификаторы, ремонтно-восстановительные составы.
РЕAГЕНТ-2000 RVS
ХАДО
FORSAN
Смесь измельченного и модифицированного силиката магния.
Потеря температурной стабильности, значительное увеличение расхода масла, отпуск поршневых колец, абразивный износ вкладышей подшипников коленчатого вала.
Кондиционеры металлов.
SMT2
Energy release
Галогенированные производные углеводородов.
Потеря температурной стабильности, значительное увеличение расхода масла, отпуск поршневых колец, абразивный износ вкладышей подшипников коленчатого вала.
Слоистые добавки.
Ceramic
Engine Protector
Дисульфиды молибдена, вольфрама, тантала, ниобия, диселиниты молибдена, титана, ниобия, трисульфид, молибдена, графит, нитрид бора.
Распад дисульфида, образование серной кислоты, продукты окисления дисульфидов обладают высокой абразивной и коррозионно-активной способностью.
Нанодобавки.
Fenom Old Chap
Наноалмазы, фуллерены.
Потеря стабильности смазочных материалов, не исследованные побочные эффекты.
Таким образом, применение дополнительных добавок к стандартным моторным маслам необходимо рассматривать как способ повышения защиты двигателя при эксплуатации его в экстремальных условиях или при уже ухудшенном техническом состоянии. Для исправного двигателя, эксплуатируемого в штатных режимах, использование качественного масла и сокращение срока его замены представляется более оптимальным вариантом, чем передозировка масла дополнительными добавками. Для изношенных двигателей применение добавок к маслу оправданно при взвешенном и разумном отношении к этому способу воздействия на механизм, эффективность использования таких присадок зависит от точности диагностики механизма и от грамотности их применения. Дополнительные присадки к моторным маслам позволяют замедлить деструктивные процессы в двигателе и продолжить эксплуатацию автомобиля при повреждениях систем смазки, охлаждения, применении топлив и масел не соответствующих химмотологическим картам, минимизировать износы при эксплуатации в условиях низких и высоких температур окружающего воздуха.
Присадки и добавки к моторным маслам.
Модификаторы трения, или антифрикционные присадки, вводят в состав энергосберегающих моторных масел, обеспечивающих экономию топлива путем снижения трения и повышения КПД двигателей. Обычно используют твердые тонко диспергированные дисульфид молибдена, коллоидальный графит, политетрафторэтилен, ацетаты и бораты металлов, а также маслорастворимые эфиры жирных кислот и органические соединения молибдена. Механизм действия основан на адгезии твердых частиц на смазываемых поверхностях и образовании сплошного слоя с низким коэффициентом трения.
Модификаторы трения изменяют фрикционные свойства масла между двумя трущимися поверхностями. Эти присадки предотвращают образование задиров, сокращают износ и шум, а также помогают предотвратить точечное выкрашивание в случае использования в маслах для промышленных трансмиссий.
Модификаторы трения обычно применяются в моторных маслах для бензиновых двигателей, жидкостях для автоматических и механических трансмиссий, в рабочих жидкостях тракторных гидравлических систем, гидроусилителях рулевого управления, в жидкостях для амортизаторов, а также в жидкостях для металлообработки. При использовании в жидкостях для автоматических трансмиссий и смазках для мостов с самоблокирующимся дифференциалом модификаторы трения управляют величиной крутящего момента, передаваемого через зацепления муфты и ремня.
С химической точки зрения, модификаторы трения представляют собой органические или неорганические соединения, которые высаживаются из масла или топлива на поверхности трущихся деталей и образуют на них пленку с очень низким коэффициентом трения, устойчивую к действию высоких температур, нагрузок и агрессивных сред, в частности воды и смазочного масла.
Наиболее широко применяемым модификатором трения в современных маслах и смазках, являются органические соединения Mo — диалкилдитиокарбамат молибдена MoDTC и дитиофосфат молибдена MoDTP.
MoDTC применяется в основном, в моторных и гидравлических маслах. Дитиофосфат молибдена MoDTP лучше показывает себя в трансмиссионных маслах.
Самым современным вариантом MoDTC, является разработка компании Infineum — трехядерный MoDTC. В отличии от двухядерного молибдена, применяемого в старых и/или дешевых рецептурах, которые можно встретить у Азиатских производителей, например Idemitsu, эффективная дозировка трехядерного молибдена меньше в разы и редко превышает 50-100 ppm.
Практически все, что доступно к приобретению и испытанию в области эксплуатации автомобиля, я стараюсь испытывать и исследовать практически с момента появления таких технологий в свободной продаже. Более того, достаточно долгое время, в блоге даже висело объявление по поводу бесплатного испытания любых препаратов (прежде всего – смазочных). Через какое-то время, в практике обращений сформировались устойчивые тенденции в классификации предложенных методик. Основные (но не все) предложения по испытаниям касаются поверхностно-модифицирующих (например, ГМТ-составов – "микрошлифовка"), металлоплакирующих ("мягкие" металлы, буквально втираемые контактным трением в поверхность), а также препаратов на основе довольно распространенных на рынке хлорорганических соединений. Предложений много, гораздо хуже дело обстоит с информированием потенциальных покупателей.
Дело в том, что со стороны практически любого производителя по отношению к потребителю, так или иначе наблюдается некоторое лукавство, в виде своеобразно выстроенной линии обороны: "все уже давно испытано и работает, вот же картинки, нарисованные нашим художником". Объяснение этому также находится довольно быстро,
так как со своей стороны отчетливо понимаешь, что "натурное" испытание препарата такого рода требует не только много времени, немалых финансов, но и мало-мальски объективной методики. Для того, например, чтобы получить вот такие результаты, потребовалось каких-то три года практической эксплуатации "на результат". Существует хотя бы один производитель чего-либо, опубликовавший что-то аналогичное, хотя бы лабораторное на "живых" деталях двигателя?! Буду рад с ними ознакомиться. Поиском находятся только какие-то пластинки металла (в т.ч. меди), испытанные на все что угодно, включая (ужас какой) коррозию! В двигателе! Не путайте с фреттингом, который действительно возможен.
Лишь немногие из инноваторов "чего-то там" могут себе позволить (и позволяют) худо-бедно откатывать (и откатывают) лабораторные циклы. Но тут же возникает закономерный вопрос: какое отношение имеет постоянно молотящий, в течение сотен часов на номинальных оборотах, какой-нибудь тихоходный "лабораторный" "ДагДизель", залитый маслом типа М8, к реальной эксплуатации современного автомобиля?! Куда умнее было бы найти подубитый жигуленок и сделать пускай и "нелабораторный", но более приближенный к реальности эксперимент. Кстати, опять же – какого рода? На формирование бесконечного ресурса, или на "оживление" мотора любого рода?
Давно прошли времена многолетних и многомиллионных (по бюджету и километражу) романтичных испытаний-пробегов, которые были характерны для середины XX века. Что же сейчас даст "частный случай с жигуленком" для формирования системных продаж? Специфика выбора автомобиля "на попробовать" должна учитывать целый ряд особенностей, от конструктивных до эксплуатационных. Потребляющие масло в равном объеме 20-летние "Жигули" и 5-летний BMW – совсем не одно и то же, несмотря на схожесть, причины там совершенно различны. Любой положительный эффект от применения должен рассматриваться, скорее, как ожидаемо не универсальный, нежели подходящий "по аналогии" к любому двигателю. С другой стороны, что даст честный и объективный "миллионный" пробег на стенде или тот же пробег по реальным дорогам, но "без пробок"?
Многим ранее, в материалах по маслу я уже публиковал несколько подобных испытаний, проведенных, что называется, "по всей строгости". Результаты там были ожидаемые – двигатель едва изношен. Казалось бы, после миллиона км и износ минимален, едва вообще заметен, почему же тогда аналогичные примеры из "обычной" практики являются единичными и преподносятся общественности едва ли ни как событие мирового масштаба в жизни того или иного бренда?
Это же должно быть обычной практикой! Если там пройден миллион вообще без видимого износа, то в реальной жизни, ожидаем хотя бы столько же до капремонта – какие проблемы-то?! Но обычна такая практика лишь для коммерческой техники: примеров тому полно, но как там это совершенно обычно, то даже не заслуживает обсуждения. Почти каждый "грузовик" без капремонта легко отхаживает 1-2 млн км и говорить про это нечего, в то же время, едва дожившая до такого пробега легковушка, становится воистину событием мирового масштаба. Причины этого феномена уже были неоднократно озвучены и обсуждены. Не буду повторяться.
Сейчас же акцент я хотел бы поставить на особенности предполагаемых "испытательных методик", нежели на ресурс. Самые лучшие "теоретические испытания" с большим бюджетом будут, по сути, повторять стендовые многомесячные пробеги на обычном моторном масле, результаты которых известны вот уж как лет тридцать минимум и результаты эти гласят, что используя обычное моторное масло (ОММ), износ вообще получить практически невозможно.
И что же, по-сути, призывает делать "прогрессивная общественность" любого производителя любой "нестандартной" присадки? А вот что: "испытайте вашу присадку "на стенде", где любое моторное масло совсем не показывает практического износа, а пока идут эти длительные испытания, мы будем выбирать лучшее моторное масло?!" Единственная возможность "выделиться" в подобном испытании, это продемонстрировать результаты худшие, чем при использовании обычного масла. Это было бы смешно, если бы не было правдой.
Условия, названные "специальными", оказываются совершенно нереальными, причем нереально легкими и это очевидно всем, кто хотя бы немного занимался изучением вопроса. Тем не менее, рассуждения про "допуски производителя", "испытания производителем", при полном отсутствии информации о практической стороне этих испытаний, являются основными и определяющими при выборе масла. У 90% российских (все же московских) пользователей современного "европейского" автопарка производства "большой тройки", двигатель "без проблем" не перешагивал даже отметку в 100.000 км, при условии строгого соблюдения всех требований производителя!
Очень странно было бы не пытаться всеми доступными способами отодвинуть этот рубеж, поэтому ничего более абсурдного чем лозунг "не лейте туда ничего лишнего, туда уже все добавил производитель" придумать, пожалуй, невозможно.
Призыв "ничего лишнего" уместен лишь там, где можно только испортить. Если статуя простояла 2000 лет и за время "эксплуатации" у нее уже отбиты нос и уши, то, очевидно, продолжая таскать ее с места на место, есть ненулевые шансы что-то дополнительно отколоть и повредить. Если же грядка гарантированно пятилетних растений на четвертом году жизни начинает поливаться и удобряться не только водой, но и сиропом, бензином и хлоргексидином, то существует ненулевая вероятность, что вы наблюдаете за испытаниями, а не за целенаправленным вредительством.
Основной фокус исследовательской деятельности должен быть направлен на недопущение эксплуатационных коллизий, а не на исправление уже возникших проблем. В саму технологию ремонта уже сложно внести что-то новое, значительно больше шансов воздействовать на сам эксплуатационный период.
Вернемся к присадкам.
Очевидно, что наиболее просты и податливы к испытаниям препараты "мгновенного" действия с обратимым результатом: вроде как "изъял из двигателя и все вернул обратно". К ним, очевидно, можно отнести почти все модификаторы (агенты) трения, включая и обычные присадки входящие в состав любого современного масла. Практически все, что способно формировать "прослойку" между парами трения (ZDDP, NB), сюда попадет и "скользкая органика", со всем многообразием углеродных модификаторов. Испытывать подобные технологии несложно: приобрел, залил, и результат можно наблюдать незамедлительно, любым доступным способом.
Ориентиром может быть что угодно, являющееся для индивида определяющим критерием, вплоть до того момента, пока означенный индивид не начинает урезать сам себе горизонты самодоверия. Тогда может потребоваться и инструментальный контроль – акустический, стендовый, контроль расхода топлива и так далее, если доступ к таковым имеется и точно знаешь что и для чего делаешь.
Вызывает недоумение, однако, попытка измерить и оценить переходные процессы любого рода на динамическом стенде, где ширина окна измерения составляет порядка 15-20 секунд.
Частным случаем такой порочной практики, является и попытка измерить влияние "качества" масла на внешнюю скоростную характеристику двигателя, где к отсутствию контроля и учета временного фактора добавляется еще и относительно малая часть потерь "на трение" в случае, когда дроссель, фактически, открыт "на максимум".
Ускорение является производной от скорости, эластичность, очевидно, должна быть своего рода "производной" от внешней скоростной, интегрально накопленной характеристики момента и мощности. Ни в каком виде не нужно смешивать эти понятия. Никому в голову, почему-то, не приходит возможность сравнения динамики двух автомобилей, с примерно равной максимальной скоростью. Эти самые околомаксимальные 250 км/ч один автомобиль может набирать 15 секунд, а второй едва наберет и за все 30.
Если на что и смотреть, то именно на скорость достижения этой величины. Мотор грузовика по запасу момента может мало отличаться от спортивного автомобиля и даже его заметно превосходить. Но все понимают, для получения динамики нужен не столько сам момент, сколько мощность – производная от момента – работа по времени.
Испытывать, очевидно, необходимо т.н. "эластичность", упор делать на "частичные нагрузки", когда дроссель не открывается полностью. Самое забавное, что испытывают (пытаются) все равно именно так, как выше описано, но ездят, в 90% случаев, по городу и совсем не "газ в пол", имея все шансы ощущать и не использовать то, что как раз "не видно" на стенде.
Более того, даже в момент разгона, все стараются обращать внимание как раз-таки на "отклик на педаль" – это самый настоящий переходной процесс. Его длительность под нагрузкой составляет величину не более секунды, а именно столько времени проходит до момента стабилизации давления в цилиндре, когда основной "всплеск" скачкообразного роста давления уже преодолен, двигатель уже начал раскручиваться и делает это все легче и легче, приближаясь к "полке" момента.
Необходимо определять и анализировать именно такие состояния, когда трение "важно" и "заметно", хотя это и не всегда просто. И одним из лучших и надежных способов определения результата, является репрезентативный анализ мнений водителей, профессионалов и не очень, просто знающих и понимающих свой автомобиль. Получение обратной связи по поведению двигателя, в совокупности с возможным инструментальным контролем, дает исчерпывающую картину полезности практически любого продукта.
Исходное качество "работавших" поверхностей трения у типичного автомобиля с относительно небольшим пробегом, предлагаю вам оценить самостоятельно, посмотрев на иллюстрации первой части статьи. Кстати, если вы когда-то меняли толкатели клапанов в своем автомобиле и вам показалось, что двигатель теперь работает потише и крутится полегче, то вам совсем не показалось. Все именно так и было и тому есть совершенно логичное объяснение.
Аналогичные наблюдения, связанные, очевидно, с оптимизацией "качества" рабочих поверхностей характерны и для применения многих добавляемых в масло модификаторов трения, которые входят в состав масла и способны взаимодействовать с поверхностью трения примерно вот таким образом (представлена упрощенная модель):
Еще вариант:
Такие частицы, как видно, формируют "гладкий" приповерхностный слой, что заметно снижает контактное трение и время взаимодействия пары "металл-металл".
В "сухом виде", почти все известные модификаторы трения выглядят как пудра:
Кстати, на правом фото т.н. "гексагональный нитрид бора" китайского производства довольно крупной дисперсии. Малосведующие граждане на полном серьезе рассуждают о возможности применить его на практике в автомобиле (реальная стоимость сырья такого качества 20-100 USD за кг), советую рассмотреть фотографию поближе и оценить (хотя бы "на глаз") размер частицы с пропускной способностью масляного фильтра (около 20 мкм, а если верить серьезным производителям, то и до 10 мкм). Существует ненулевая вероятность, в самом скором времени достать половину введенного сырья из фильтра, с учетом предлагаемых 1-5 мкм против "ксенумовских" 0,25 мкм, производимых на одном из заводов "Henkel". Подобное мелкодисперсное сырье (аналогичное применяемому Xenum) стоит заметно дороже, что, однако, не должно останавливать истинных экспериментаторов, которых спасает лишь то, что 99,9% из них никуда дальше этих самых разговоров и не продвинутся. 
Несложно сформулировать базовые требования к "присадкам" такого рода, а именно:
1.Размеры частиц должны с запасом соответствовать тонкости отсева масляного фильтра.
2.Стабильность характеристик вещества в условии высоких температур.
3.Хорошая адгезия к металлу – способность проявлять свойства полярности для формирования защитного слоя.
В результате, использование этих веществ дает возможность понизить трение скольжения в 3 и более раз, что в пересчете в абсолютные единицы, при условии трения смазанной пары вида сталь/сталь (к.т. около 0,15), должно понизить коэфф. трения до уровня около 0,05 и даже ниже. В абсолютных цифрах, это можно было бы представить рассмотрев потери на открытие 4 клапанов единовременно, как это обычно происходит в единицу времени в современном двигателе. Усилие открытия каждого клапана составляет около 60 кгс, что в сумме дает примерно 240 кг. Потери на трение, соответственно, составят почти 36 кгс. Рассмотрев снижение трения хотя бы в три раза, получим немалую разницу в 24 кгс для ГРМ обычного автомобиля.
Различия внутри самого класса модификаторов трения, главным образом, с фактическим размером частиц и концентрацией их в готовом продукте, а также потенциальной температурной стабильностью и процессами, связанными с изменением качества самого вещества под действием температуры.
Нитрид бора, при прочих равных, может иметь заметное преимущество по температурной стабильности (заметно выше 800 градусов Цельсия, против 400-500 у молибденосодержащих соединений). Какой-нибудь новомодный дисульфид вольфрама – преимущество в потенциально достижимом коэффициенте трения. И так далее. В конечном итоге, будет немаловажна даже удельная масса – это влияет на способность удерживаться в растворе под действием гравитации.
Вызывает легкую иронию неподдельная радость пользователей масел с незначительным содержанием "легкого" moDTC, практически не дающего видимого осадка, на фоне заметно более дорогих (ключевое слово, для производителей) и тяжелых дисульфида вольфрама или того же нитрида бора, такой осадок, разумеется, дающих. Первые же секунды работы двигателя, после сколь угодно длительного простоя, эту "разницу" целиком уничтожают: масло в двигателе "взбалтывается" под давлением до 5-6 атм и фантастическим расходом до сотни литров в минуту. Чтобы ощутить этот факт на практике, достаточно снять клапанную крышку, завести двигатель и хорошо нажать на газ.
В самом "ужасном" случае, даже если автомобиль простоял год и весь свободный присадочный компонент осадился на дне картера, это всего лишь равнозначно секундам работы двигателя на "обычном масле" без тех частей присадки, которые не успели высадиться на поверхность металла. В сам же момент запуска, очевидно, на металле присутствует все тот же NB, или moDTC. Спустя минуту, масло уже перемешано до полностью рабочего состояния. Невероятно, но вопрос про эту "проблему" был одним из самых частых, хотя суть опасений, уверен, не вполне ясна любому вопрошающему.
Если же мы будем рассматривать предлагаемые промышленностью продукты (то есть, уже готовое моторное масло) с точки зрения эффективности, то прямое сравнение использованных элементов будет не всегда корректным – концентрация активного компонента может заметно различаться от бренда к бренду. Сложно прямо противопоставлять, например, 500-600 ppm MoDTC у многих распространенных "тюнинговых" масел, тому же Xenum WRX с его 1800-2000 ppm hNB.
Вполне возможно, что заметное преимущество последнего связано, например, не только с концентрацией, но и с самим размером частиц. Но не с самим "модифицирующим" компонентом.
Как видно на гистограмме, для разных модификаторов существует не только прямая зависимость от концентрации, но и предел насыщения, когда дальнейшее увеличение концентрации уже не приносит улучшения.
Думаю, такие зависимости существуют и для различной дисперсии сырья, что применимо к многим модификаторам. Так, например, тот же гексагональный нитрид бора возможно приобрести и использовать в размерах от 100 до 5, 2, 1.5, 0.5, 0,25 и 0,07 мкм!
Так что не корректно говорить, что модификатор "один" эффективнее модификатора "два", если нету гарантии хотя бы равной концентрации его в продукте. Сравнению подлежат только готовые продукты – сами масла.
Также хотелось бы отметить, что допустимая в индустрии шероховатость пары кулачок-толкатель составляет примерно 0,32-0,63 мкм (8 класс шероховатости), поэтому неплохо бы соизмерять предполагаемые к использованию частицы с этой величиной, если вы надумаете экспериментировать самостоятельно и рассчитываете на прямой эффект от применения. С другой стороны, изношенный двигатель, чаще всего имеет заметно более "грязные" поверхности трения и эффект будет на нем ожидаемо заметнее даже при условии применения частиц более крупной дисперсии.
Примечательны также и некоторые исследования "механизмов работы" подобных присадок, в плане их взаимодействия с поверхностью деталей в двигателе. При высоких температурах, возможно, происходит также и модификация (адсорбция) рабочей поверхности с образованием соединений железа и серы (в случае дисульфида молибдена, например), поэтому не стоит рассматривать исключительно один лишь механизм снижения трения ориентируясь, только лишь на "лабораторные коэффициенты" трения этих веществ в приповерхностной зоне.
В целом, хотелось бы еще раз отметить сравнительно простой и доступный (во всех смыслах) способ применения и оценки подобных "технологий", но и это не поможет тем, кто привык оценивать и осуждать технологии исключительно по картинкам в Сети.
О более сложных препаратах и технологиях поговорим в следующей статье.
