Наши брэнды

 

Error. Page cannot be displayed. Please contact your service provider for more details. (6)


Главная / Статьи /

Масла для дизельных двигателей

Начиная с 1990 г. главной движущей силой при разработке всех классификаций Американского института нефти по коммерческим маслам класса «С» для дизельных двигателей является озабоченность воздействием выбросов от дизельных двигателей. В дальнейшем экологические стандарты будут только ужесточаться.

Масла для дизельных двигателей

Начиная с 1990 г. главной движущей силой при разработке всех классификаций Американского института нефти (API) по коммерческим маслам класса «С» для дизельных двигателей (например, CF-4, CG-4 и другие), является озабоченность воздействием выбросов от дизельных двигателей. Цифра 4 означает, что они применяются к 4-х цилиндровым дизельным двигателям. В 1997 г. Агентство по охране окружающей среды (ЕРА) приняло строгие стандарты по выбросам оксидов азота и твердых частиц с целью снижения выбросов до уровня 0,2 г на час тормозной мощности (g/bhp-hr) для оксидов азота и 0,01 г на час тормозной мощности для твердых частиц к 2010 г. для используемых дизельных двигателей. Для дальнейшего контроля выбросов ЕРА также ужесточила ограничения для содержания серы в дизельном топливе, используемом на дорогах (0,0015% серы в 2006 г.) и вне дорог (0,05% серы в 2007 г., 0,0015% серы в 2010 г.). Потребительский спрос на масла с более долгим сроком службы и озабоченность по поводу повышения температур двигателей и поддона картера вследствие разработки в настоящем и будущем проектов двигателей, способных удовлетворять этим стандартам по выбросам, привели к созданию машинных масел новых категорий работы.

Рис. 1. Фильтр дизельного двигателя для очистки от твердых частиц

Рис. 1. Фильтр дизельного двигателя для очистки от твердых частиц

Разработки и тенденции на рынке машинных масел

1 января 2007 г. были введены более жесткие стандарты по выбросам для дизельных двигателей: оксид азота (1,2 g/bhp-hr) и твердые частицы (0,01 g/bhp-hr). В течение следующих трех лет выбросы оксидов азота будут снижаться в сторону вышеуказанного стандарта 2010 г. Эта поэтапная подготовка позволяет производителям двигателей сконцентрироваться на снижении количества оксидов азота. Содержание серы в топливе, используемом на дорогах, понизилось до 0,0015% с начала 2006 г., так как даже сравнительно небольшое количество серы увеличивает выбросы твердых частиц с выхлопными газами.

Для соответствия этим ограничениям производители оборудования сочетают ускоренную рециркуляцию охлажденных выхлопных газов и использование устройств дополнительной обработки выхлопных газов, например каталитические фильтры дизельных двигателей для твердых частиц и окислительные нейтрализаторы. В результате появилось новое поколение машинных масел, продлевающих срок службы системы понижения токсичности выхлопа, а также предотвращающих отравление катализатора и забивание сажевого фильтра. При этом, они по-прежнему обеспечивают оптимальную защиту от отложений на поршне, загущения окислителя, потребления масла, теплостойкости, средств контроля уровня сажи, пенообразования и потери вязкости.

Американский институт нефти объединил усилия с производителями и специалистами Американского общества по испытанию и материалов (ASTM), чтобы разработать новую классификацию машинных масел для дизельных двигателей на 2007 г., которая получила обозначение API CJ-4.

Проектная стратегия по выбросам на 2007 г.

Для удаления копоти и других частиц компании Cummins, Detroit Diesel, International-Navistar, Mack и  Volvo North America используют плотные фильтры в закрытой системе вентиляции картера и сажевые фильтры дизеля для рециркуляции выхлопных газов (30-35%).

Компания Caterpillar использует свою передовую технологию снижения вредных выбросов (ACERT), недавно разработанный процесс сгорания под названием «ввод чистого газа» (CGI), фильтры для закрытой системы вентиляции картера и сажевые фильтры дизеля. В CGI используется удаленная рециркуляция выхлопных газов, закрытая система вентиляции картера и система сажевых фильтров дизеля с активной регенерацией. Система CGI втягивает чистый инертный отходящий газ, не содержащий сажу, из нисходящего потока сажевого фильтра, а затем направляет чистый газ в систему впуска. Этот чистый газ не ускоряет износ двигателя, а низкая температура газа во впускном коллекторе системы CGI способствует снижению выброса оксидов азота. В сажевом фильтре используется технология проведения потока по стенкам. Регенерация необходима для начала процесса окисления, который устраняет сажу, скапливающуюся по входным стенкам фильтра. Для усиления регенерации отходящий газ нагревается дополнительными средствами. Процесс регенерации запускается только при необходимости. В двигателях компании Caterpillar мощностью 500 лошадиных сил и меньше используется один сажевый фильтр дизеля. Для двигателей мощностью минимум 550 лошадиных сил потребуются двойные сажевые фильтры.

Все производители выбрали закрытую систему вентиляции картера для удаления вредных паров, образующихся в нем. Эти пары направляются в двигательную систему впуска (обычно это делается через впускной коллектор), где они сжигаются во время процесса горения. Этот способ предпочтительнее выброса в атмосферу.

Рис. 2. Одноэтапный фильтр твердых частиц

Рис. 2. Одноэтапный фильтр твердых частиц

Фильтры от твердых частиц для дизельных двигателей

Иногда фильтры дизельных двигателей для твердых частиц (ФДД) называют улавливателями. Внешне они похожи на  толстые шарфы и в целом являются устройствами дополнительной обработки, используемыми для удаления 90% твердых частиц из выхлопных газов дизельного двигателя. Они предствляют собой пористые фильтры и производятся из высокотемпературной керамики или плотно упакованной керамики и металлического волокна (рисунки 1 и 2).

ФДД улавливают твердые частицы, содержащиеся в выхлопных газах дизельного двигателя, и не позволяют выбрасывать их в атмосферу через выхлопную трубу, при этом пропуская выхлопные газы. Чтобы предотвратить засорение фильтров для твердых частиц, собранные частицы, например сажу, следует удалять из фильтра путем сжигания при повышенной температуре. Этот процесс называют регенерацией. В этом процессе, который можно проводить время от времени или постоянно, используются электронагреватели, пассивное тепло от выхлопных газов или впуск небольшого количества дизельного топлива в поток выхлопных газов, идущий к фильтрам, для полного сжигания собранных твердых частиц. Все остатки и зола выдуваются из потока выхлопных газов и  переправляются в контейнер-улавливатель для последующего удаления. Эти улавливатели следует периодически прочищать, чтобы фильтры твердых частиц в дизельном двигателе не засорялись. Бортовые средства диагностики контролируют состояние улавливателя и управляют регенерацией. Когда появляется необходимость проведения регенерации, то в период бездействия двигателя бортовые преобразователи топлива, обогащающие топливо водородом для более жаркого горения, активируются бортовой системой диагностики, которая сигнализирует оператору начать регенерацию. Альтернативой бортовой регенерации является очистка фильтров твердых частиц в дизельном двигателе на станции техобслуживания. В соответствии с требованиями EPA фильтры твердых частиц в дизельном двигателе должны работать перед очисткой минимум 240 тыс. км. Выбросы двигателя должны соответствовать требованиям при пробеге 700 тыс. км.

Эффект стратегий воздействия на выбросы

Стоимость двигателей, произведенных в 2007 г., будет выше. Фильтры твердых частиц в дизельных двигателях и связанное с ними оборудование увеличат цену на новый грузовик на 6-10 тыс. долл. Ожидается, что обслуживание фильтров твердых частиц в дизельном двигателе, которое, возможно, будет необходимо через каждые 240 тыс. км пробега, будет обходиться каждый раз в 150 долл. или меньше. Насыщенное серой дизельное топливо (содержание серы 0,0015%) подорожает, его теплосодержание (BTU) понизится, что приведет к  повышенному потреблению топлива и может вызвать преждевременный отказ инжектора вследствие недостаточной маслянистости.

Двигатели, произведенные в 2007 г., будут выделять больше сажи, а максимальная температура их  цилиндров повысится вследствие более высокой рециркуляции выхлопных газов. Это приведет к повышению температуры работающего двигателя и потребует использование машинного масла с повышенной стойкостью к окислению. Для защиты устройств дополнительной обработки машинное масло должно будет содержать меньше сульфатированной золы, серы и фосфора, одновременно обеспечивая: оптимальную защиту для контроля осадка в поршнях, окислительное загущение, потребление масла, высокотемпературную стабильность, свойства обработки сажи, пенообразование и потерю вязкости.

API CJ-4

API CJ-4 — это передовая разработка в области машинных масле для мощных дизельных двигателей. Разработка API CJ-4 была завершена 15 октября 2006 г. API CJ-4 было открыто для лицензирования.

Защита устройств дополнительной обработки была гарантирована первым в истории введением химических ограничений по машинным маслам для мощных дизельных двигателей. Химические ограничения для API CJ-4 берут под контроль содержание в машинном масле сульфатированной золы, фосфора и серы, обычно называемых SAPS. В эти химические ограничения входит следующее:

  • максимальное содержание сульфатированной золы 1% (согласно ASTM D874);
  • максимальное содержание фосфора 0,12% (согласно ASTM D4951);
  • максимальное содержание серы 0,4% (согласно ASTM D4951 или ASTM D2622).

Помимо этих химических ограничений, для API CJ-4 установлено ограничение летучести на уровне максимум 13%, который определяется методом испытаний на летучесть NOACK, согласно ASTM D5800.

SAPS находятся или поступают из компонентов (добавки и сырая нефть), входящих в машинные масла. Эти различные компоненты используеются для удлинения срока службы масла, поддержания щелочного числа, а также защиты против износа, окисления, коррозии и отложений в поршнях. Несмотря на то, что SAPS значительно повышают производительность, они могут создать сложности в двигателях, созданных по стандартам 2007 г., а также в будущих моделях двигателей, которым надо будет удовлетворять требованиям выбросов 2010 г., если они будут слишком высоки.

Главным источником беспокойства по поводу должной работы двигателя, соответствующего требованиям выбросов 2007 г., является воздействие сульфатированной золы на устройства дополнительной обработки, например фильтры твердых частиц в дизельном двигателе.

Сульфатированная зола

Термин «сульфатированная зола» относится к содержанию металлических элементов в машинных маслах, которые большей частью являются производными от детергентов машинных масел и химических элементов противоизносных присадок. Эти добавки содержат различные компоненты на основе таких металлов, как кальций, магний, цинк и др. Вследствие того, что полной изоляции между кольцами поршня достичь невозможно, определенное количество машинного масла будет сгорать.

После того, как машинное масло попадет в камеру сгорания и сгорит, его остатки превратятся в материал, напоминающий золу, который увеличит количество отложений на ободе поршневого кольца, а также отложения в канавках колец. Эти отложения могут стать причиной фрикционного износа гильзы цилиндра и вызвать сбои в работе поршневых колец. В конечном счете, после возникновения проблем на участке между гильзой и  кольцом, повысится потребление масла. В дополнение к этим отложениям во время сгорания может произойти окисление неорганических составов, входящих в добавки для смазочных масел, в результате чего может произойти образование металлооксидных частиц. Эти частицы могут переноситься совместно с выхлопными газами и собираться на фильтре для твердых частиц. Их невозможно удалить регенерацией фильтра, так как эти частицы не горят. По мере накопления частиц золы происходит блокировка фильтра, увеличивающая обратное давление на двигатель, которое в свою очередь увеличивает потребление топлива и уменьшает мощность. Также накопление частиц вынуждает проводить более частую очистку фильтров для частиц механическими средствами, такими как сжатый воздух или водо-импульсный метод.

Содержание сульфатированной золы в машинном масле также напрямую связано с возможностями машинного масла по нейтрализации кислот (НК), так как большей частью НК машинного масла является результатом добавления металлосодержащих детергентов. В целом, чем выше НК машинного масла, тем больше в нем содержание золы и тем сильнее его способность по предотвращению кислотной коррозии в двигателе. К счастью, обязательное использование в средствах транспорта дизельного топлива со сверхнизким содержанием серы приведет к снижению потребности в НК-контроле для топливной серы и, соответственно, к снижению содержания золы.

Рис. 3. Воздействие SAPS на фильтры для твердых частиц.

Рис. 3. Воздействие SAPS на фильтры для твердых частиц

Источник серы и ее воздействие

Масла для мощных дизельных двигателей на 75-85% состоят из сырой нефти; в остальном в них входят системы добавок. Концентрация серы в сырой нефти может варьироваться от нуля (синтетические базовые жидкости, например поли-альфа-олефины) до 0,5% массы (базовые компоненты Группы 1). Содержание серы в сырой нефти может быть снижено использованием методов гидроочистки и гидрокрекинга, в результате чего оно снижается до  уровней менее 0,1-0,3% массы. Используемые системы добавок также являются источниками значительного количества серы. Серосодержащие добавки, используемые в машинных маслах для мощных дизельных двигателей, включают в себя детергенты, противоизносные агенты (главным образом из дитиофосфата цинка, ZDTP или ZDDP), ингибиторы коррозии, модификаторы трения и антиоксиданты.

По оценкам EPA, количество серы от 0,0001 до 0,0007% может воходить в состав выхлопных газов дизельного двигателя, когда машинное масло попадает в камеру сгорания и сжигается. Самая негативная оценка в размере 0,0007% основана на номинальных уровнях потребления топлива в мощных дизельных двигателях в размере 1 л на 2,65 км и масла в размере 1 л на 3,2 тыс. км.

Во время обычной работы лишь небольшое количество машинного масла, потребляемого мощными дизельными двигателями с открытой вентиляцией картера, проходит через кольца и сжинается в камере сгорания. Остальная часть потребляемого масла теряется в результате процесса испарения и не сгорает. Если масло, в котором содержание серы превышает максимальный предел для API CJ-4, составляющий 0,4%, будет применяться в двигателе, сконструированном по требованиям 2007 г., то закрытая система вентиляции восстановит испарившее масло и проведет его через поток выхлопных газов.

Сера, попавшая в поток выхлопных газов, может снизить эффективность фильтров для твердых частиц, загрязняя каталитические нейтрализаторы. Это может повысить конверсию оксидов серы в сульфаты, повышающую уровень выборосов частиц и скопление остатков частиц. Скопление остатков частиц может привести к понижению эффективности работы двигателя вследствие увеличения обратного давления и, в конечном итоге, отказу улавливателя. То есть, сера, после того как она загрязнит катализаторы, снижает их чувствительность и блокирует активные места на катализаторах. Это становится причиной конверсии оксидов серы в  частицы сульфата, в результате чего повышается уровень выбросов частиц и происходит скопление остатков в устройствах дополнительной обработки.

Рис. 4. Сценарий развития североамериканского рынка до 2009 г.

Рис. 4. Сценарий развития североамериканского рынка до 2009 г

Источник фосфора и его воздействие

Главным источников образования фосфора в маслах для мощных дизельных двигателей является противоизносный агент дитиофосфат цинка (ZDDP). Фосфор также образуется из ингибиторов коррозии, модификаторов трения и  антиоксидантов. Обычно, машинные масла типа CI-4 Plus для мощных дизельных двигателей, сконструированных до 2007 г., содержали 0,11-0,15% фосфора в своей массе. Новые масла CJ-4 содержат максимум 0,12% фосфора.

Фосфор, попавший в поток выхлопных газов, может снизить эффективность катализаторов из благородных металлов и деактивировать их путем наслоения и скопления на активных точках катализатора, вызывая необратимые повреждения, нарастающие со временем. В результате повышается уровень вредных выбросов, например окиси азота (NOХ), угарного газа и углеводородов, которые проходят каталитический конвертер без изменений, что повышает уровень выбросов окиси азота, угарного газа и углеводородов.

Смена парадигмы в технологии производства машинных масел

Одной из целей API CJ-4 была обратная совместимость с химическими составами масел более старых категорий API CI-4 и CI-4 Plus. Тем не менее, введение ограничений для SAPS привело к смене парадигмы в технологии производства машинных масел. Снижение уровня золы с обычных 1,3-1,5% до  обязательного максимума в 1,0%, а также дополнительное снижение уровня содержания серы в сырой нефти и добавках до максимума 0,4% потребуют замены традиционных металлосодержащих добавок на альтернативные химические добавки, содержащие небольшое количество металла, серы и, в некоторых случаях, не содержащие золу.

Использование этих альтернативных химических добавок уменьшает щелочное число масла до уровня 8-10. В  результате этого уменьшения щелочного числа могут снизиться периоды службы масла во внедорожных дизельных двигателях, в которых по-прежнему можно будет использовать дизельное топливо с низким содержанием серы ( максимум 0,05%) до 2010 г. Для дизельных двигателей, используемых на дорогах, это снижение щелочного числа не должно оказать воздействие на текущие периоды службы масла, так как использование дизельного топлива со сверхнизким содержанием серы (максимум 0,0015%) станет коэффициентом симметрии при оценке периодов службы масла. Эти факторы могут привести к дифференциации двух различных типов машинных масел: для дизельных двигателей дорожного и внедорожного транспорта (рисунок 4) на последующие несколько лет. Более того, ожидается, что некоторые производители потребуют установления минимальных уровней щелочного числа в зависимости от того, где используются их двигатели.

В 2007-2010 гг. CJ-4 можно будет использовать с топливом, содержащим 0,05% серы, которое применяется во внедорожном дизельном транспорте. Однако, это может привести к снижению периодов службы масла в  результате использования более старых масел.

Чтобы соответствовать ограничению API CJ-4 по содержанию фосфора 0,12%, было снижено количество ZDTP, используемого в машинных маслах мощных дизельных двигателей. Это потребует использования альтернативных противоизносных агентов, не содержащих золу, для защиты клапанного механизма от износа.

Снижение содержания серы до максимума 0,4% совместно с ограничениями летучести NOACK в размере 13% максимум и необходимость повышения стабильности процесса окисления вследствие увеличения теплового напряжения, которому подвергается машинное масло в результате значительной рециркуляции выхлопных газов и  дополнительной обработки, приводит к расширению использования базовых компонентов Групп II, III и IV.

Рис. 5. Технология производства двигателей в будущем, 2010 г.

Рис. 5. Технология производства двигателей в будущем, 2010 г.

Обратная совместимость

ASTM ввела для классификации API CJ-4 обязательную обратную совместимость с существующими машинными маслами категорий API CI-4 и CI-4 Plus. Для обеспечения обратной совместимости лабораторные испытания и стендовые испытания двигателей используются совместно с методами тестирования последовательности работы новых двигателей, использующих дизельное топливо со сверхнизким содержанием серы. Тестирование последовательности работы новых двигателей для API CJ-4 включают в себя следующее:

  • Mack T-12 — этот новый 300-часовой тест оцениваниет способность машинного масла обеспечивать защиту против: износа силового цилиндра, сгущения сажи, коррозии подшипников, окисления при высоких рабочих температурах и высоких уровнях рециркуляции выхлопных газов;
  • Caterpillar C-13 — этот 500-часовой тест, основанный на шестицилиндровом дорожном двигателе С-13 мощностью 445 лошадиных сил с технологией ACERT и закрытой вентиляцией картера, оценивает способность машинного масла обеспечивать защиту против чрезмерного потребления масла и формирования отложений на поршне;
  • Cummins ISB — этот 350-часовой, двухэтапный тест, использующий дизельный двигатель средней мощности Cummins 5,9 L ISB, оборудованный системой рециркуляции выхлопных газов и фильтрами для твердых частиц дизельного двигателя, составлен для оценки способности машинного масла предотвращать износ клапанного механизма ползуна и совместимость с системой дополнительной обработки;
  • Cummins ISM — этот 200-часовой, четырехэтапный тест оценивает способность машинного масла обеспечивать защиту четырехтактных дизельных двигателей с доохладителем и турбонагнетателем, оборудованных системой рециркуляции выхлопных газов, от износа клапанного механизма, износа цилиндра и втулки, закупорки фильтров и формирования отложений в условиях наличия сажи.

Технология производства двигателей для 2010 г.

В 2010 г. выбросы дорожных дизельных двигателей будут снижены еще больше и составят 0,2  г на час тормозной мощности для NOX, а выбросы твердых частиц останутся на уровне 0,01 г  на час тормозной мощности. Выбросы дорожных дизельных двигателей в сочетании с обязательным, начиная с июня 2010 г., использованием дизельного топлива со сверхнизким содержанием серы для внедорожных дизельных двигателей, приведут к дальнейшим изменениям в конструкции двигателей, а также к  использованию технологий дополнительной обработки. Будут использоваться следующие устройства дополнительной обработки:

  • слабые катализаторы NOX (LNC);
  • слабые улавливатели NOX (LNT);
  • катализаторы NOX по снижению накоплений (NSRC);
  • катализаторы DeNOX;
  • абсорберы NOX;
  • избирательное каталитическое снижение (SCR);
  • катализаторы дизельного окисления (DOC).

Использование этих средств дополнительной обработки приведет к введению новых химических ограничений на  будущие машинные масла для мощных дизельных двигателей, которые необходимы для гарантирования каталитической совместимости. В результате будет разработана новая классификация машинных масел для мощных дизельных двигателей, которая потребует создания точного равновесия между обеспечением надежности существующих двигателей, совместимостью дополнительной обработки и сроком службы. Эта новая классификация машинных масел должна быть готова к  использованию к концу 2009 г. Ожидается, что API совместно с производителями и ASTM начнет работать над классификацией РС-11 (которую, возможно, будут называть API CK-4) приблизительно в конце 2007-начале 2008 г.

Lawrence Ludwig, Jr., Schaeffer Manufacturing