Осведомлен – значит вооружен

Новый класс масел API PC-12 для высоконагруженных дизельных двигателей

Развитие большегрузной и тяжелой специальной техники не останавливается, полностью заменять двигатели внутреннего сгорания на электромоторы на такой технике тоже пока не собираются даже самые «безбашенные зеленые». Наоборот, продолжается усовершенствование ДВС, а вслед за прогрессом ДВС требуется и модернизировать рецептуру моторных масел для них.

Предпосылки разработки нового класса моторных масел PC-12

Давайте посмотрим подробнее, в чем причина введения нового класса моторных масел? Основной причиной разработки класса масел PC-12 стало объявление «Агентством по охране окружающей среды» (EPA, США) о введении начиная с 2027-го модельного года более строгих экологических стандартов на вредные выбросы (окислы азота NOx и твердые частицы – сажу) и парниковые газы высоконагруженных двигателей магистральных грузовиков и внедорожной техники, т.е. для моделей двигателей, созданных начиная с этого года. Согласно этим новым стандартам по сравнению с предыдущими нормами потребуется сокращение выбросов двигателями окислов азота NOx на 75% и твердых частиц (сажи) на 50%. Чтобы соответствовать требованиям новых экологических норм, новые двигатели будут работать на более напряженных режимах при повышенных рабочих температурах. Моторные масла новой категории РС-12 должны быть способны работать в таких условиях.

Параллельно EPA требует, чтобы эффективность работы и срок службы систем нейтрализации ОГ в системах выпуска автомобилей и спецтехники увеличивался, а также увеличилась топливная экономичность новых двигателей по сравнению с оборудованием предыдущих поколений. В настоящее время производители обязаны выпускать двигатели, соответствующие нормам выбросов, начиная с выхода конвейера и до пробега примерно до 700 000 км. Согласно новым стандартам это требование увеличится до 1 287 500 км, что почти вдвое превышает текущие требования к сроку полезного использования.

К тому же действующие в настоящее время в США стандарты, введенные в 2010 г., обеспечивают лишь частичное сокращение выбросов NOx. Выбросы грузовиков остаются в пределах, установленных нормами EPA, только тогда, когда транспортные средства движутся по шоссе со скоростью более 80 км/ч. Когда грузовики едут медленнее по городским или пригородным улицам, их выбросы могут значительно превышать предельные значения EPA.

Регулирующие органы стремятся исправить этот недостаток. Среди условий, содержащихся в новых предлагаемых нормах, требование к производителям высоконагруженных двигателей создавать более эффективные и долговечные системы нейтрализации отработавших газов (ОГ) в системах выпуска грузовиков и внедорожных машин, которые бы уменьшали объемы вредных выбросов на разных режимах работы двигателей, а не только на «крейсерской» скорости.

В отработавших газах двигателей неизбежно содержатся микроскопические капли моторного масла. Они попадают на металлы – катализаторы агрегатов нейтрализации. Чтобы моторные масла не отравляли металлы катализаторов, чтобы нейтрализаторы в системах выпуска работали эффективнее и в течение более длительного срока, чем ныне существующие системы, потребуются моторные масла с новыми характеристиками.

Именно это побудило «Американскую ассоциацию производителей грузовиков, внедорожной техники и двигателей» обратиться в API («Американский институт нефти») с официальным запросом о создании спецификации для нового класса моторных масел. Классификация моторных масел по API является базовой и общепринятой практически во всем мире.

В декабре 2021 г. API объ­явил о начале разработки нового класса моторных масел для высоконагруженных дизельных двигателей, условно названного PC-12 (Proposed Category, «проектируемый класс»). Новая спецификация на масла разрабатывается, чтобы помочь производителям двигателей обеспечить соответствие своей продукции новым экологическим нормам EPA по выбросам NO_x и парниковых газов.

Свойства новых масел РС-12

Чем же масла новой категории будут отличаться от продуктов, соответствующих существующим стандартам?

Устойчивость к окислению и антифрикционные свойства. Режимы работы новых двигателей будут более напряженными вследствие повышения рабочих температур, на которое идут создатели двигателей ради повышения их к.п.д. и снижения содержания вредных выбросов в ОГ в соответствии с новыми экологическими нормами.

Поэтому ожидается, что смазочные материалы нового класса PC-12 также будут обладать повышенными (по сравнению с маслами предыдущего класса) антиокислительными и противоизносными (антифрикционными) свойствами, чтобы обеспечивать увеличение интервалов замены масла (как того требуют новые экологические нормы 2027 г.) и повышенную защиту от износа деталей и узлов высоконагруженных двигателей, т.е. повышать надежность и долговечность новых двигателей.

Снижение вязкости новых масел. Ожидается, что с введением категории PC-12 продолжится переход на использование моторных масел с более низкой вязкостью, которые улучшат производительность и эксплуатационные характеристики высоконагруженных двигателей магистральных грузовиков и внедорожных машин, а также будут способствовать повышению их надежности и долговечности. В совокупности эти факторы приведут к повышению топливной экономичности и сокращению выбросов углекислого газа магистральными грузовиками и внедорожной спецтехникой в соответствии с требованиями новых экологических норм 2027 г.

Действительно, «Американская ассоциация производителей грузовиков…» попросила API создать такие спецификации моторных масел нового класса, чтобы маловязкие масла SAE 0W-20 и 5W-20 могли применяться в высоконагруженных двигателях в тяжелых условиях эксплуатации. Благодаря более низкой вязкости масел снижаются потери на трение, а также насосные потери двигателя, что повышает к.п.д. и в конечном счете топливную экономичность. Насосные потери – это потери на работу, совершаемую поршнем при выпуске и впуске. Относятся к механическим потерям.

До сих пор на американском рынке такие масла в двигателях грузовых автомобилей не использовались. Эти масла класса 20 (т.е. рассчитанные на нормальную работу в диапазоне температур окружающего воздуха от –35 до +20 °C) начинают все больше использоваться в современных двигателях в Европе и в настоящее время рассматриваются для использования в Северной Америке в рамках разработки спецификаций нового класса масел PC-12.

Уменьшение зольности и снижение содержания некоторых химических веществ. Одно из главных требований к новым маслам класса PC-12: они должны поддерживать надлежащую работу нейтрализаторов ОГ в системе выпуска в течение длительного времени (дольше, чем масла предыдущего класса). Что это означает для производителей смазочных материалов? Это значит, что для защиты систем нейтрализации ОГ в маслах нового класса будет еще больше ограничиваться содержание фосфора, серы, а также зольность.

Зольность – это показатель содержания в масле металлосодержащих присадок (разные соли натрия, бария, кальция, магния, калия, цинка и др). Сульфатная зольность масла указывает на количество содержащихся в нем противоизносных и противозадирных присадок на основе кальция, цинка, фосфора, магния, молибдена и других химических элементов. В процессе сгорания масла они образуют различные твердые соединения, которые откладываются на деталях двигателя, а также в нейтрализаторе и сажевом фильтре в виде золы и мешают нормальной работе этих агрегатов. Современные нейтрализаторы и сажевые фильтры не могут избавиться от золы так же, как они избавляются от отложений сажи, – дожиганием. Зола не горит.

Поэтому требование «уменьшить зольность масел нового класса», очевидно, вступает в противоречие с требованием обеспечить у новых масел повышение противоизносных и противозадирных свойств. Эту головоломку предстоит решить производителям смазочных материалов, т.е. разработать новые технологии и рецептуры моторных масел, которые бы были малозольными и обладали высокими противоизносными и противозадирными характеристиками.

Допустимые нормы содержания химических веществ в новых маслах пока еще не определены и находятся в стадии разработки. В настоящее время изучается несколько вариантов, включая использование существующих ограничений, использование норм ACEA («Европейской ассоциации производителей автомобилей») или ужесточение норм содержания химических веществ в новых маслах с целью снижения их зольности.

Таким образом, производители присадок к маслам могут столкнуться с гораздо более жесткими, чем ранее, ограничениями по химическому составу своих продуктов в связи с названными выше причинами и ужесточенными нормами по уровню вредных выбросов в ОГ. Им необходимо будет тщательно подбирать состав, какие химические элементы и в каких соотношениях вводить в присадки, чтобы обеспечить необходимые характеристики масел класса PC-12.

Прочие характеристики. Также «Американская ассоциация производителей грузовиков…» призвала производителей смазочных материалов улучшить показатели (а АРI ужесточить требования!) масел класса API PC-12 по уменьшению образования сажи. А еще масла категории РС-12 будут обладать расширенной совместимостью с эластомерами (т.е. резиной, каучуками – манжетами, уплотнениями и шлангами двигателя) и улучшенной способностью к последующей переработке.

Новые испытания. В специ­фикации нового класса моторных масел планируется предусмотреть для них новые жесткие испытания, поскольку моторные масла перспективного класса предназначаются для двигателей новой конструкции. Хотя окончательно еще ничего не определено, предполагается ввести новые испытания по оценке противозадирных и противоизносных свойств масел перспективного класса. Называют даже конкретные методики: испытания на износ деталей газораспределительного механизма двигателя Ford 6.7L и испытания на задиры деталей двигателя Detroit Diesel DD13.

Две подкатегории. Ожидается, что масла класса PC-12 (как и продукты предыдущего класса РС-11) будут разделены на две подкатегории. Хотя они еще не получили официального названия, специалисты отрасли уже начали называть их CL-4 и FB-4.

Масла CL-4 предназначены для двигателей внедорожной спецтехники. Производителей и владельцев внедорожной техники из свойств моторных масел в меньшей степени заботит экономия топлива, но в первую очередь интересует способность масла защищать детали двигателя от износа и работать всесезонно, круглый год, что является особенно важным фактором при эксплуатации в районах, где бывают экстремально высокие или низкие температуры воздуха. Масла CL-4 должны быть совместимы с двигателями прежних выпусков, потому что спецтехника эксплуатируется по многу лет и до сих пор в отрасли работает много машин с двигателями прежних поколений.

Масла категории FB-4 будут маловязкими, обладающими сверхнизкими значениями кинематической вязкости и высокими значениями «высокотемпературной вязкости при высокой скорости сдвига» (HTHS, динамическая вязкость) до 2,6 сантипуаз (сП), чтобы способствовать повышению топливной экономичности новых двигателей специальной конструкции для магистральных грузовиков. Такие масла могут быть несовместимы с двигателями традиционной конструкции.

Напомним, что вязкость HTHS измеряется при 150 °С и высокой скорости сдвига одного слоя масла относительно другого. Физически можно представить величину HTHS как толщину пленки масла в зоне критических условий работы, например, в подшипниках коленчатого вала – чем больше вязкость HTHS, тем толще будет пленка масла. Чем тоньше будет масляная пленка при полном сохранении защитных свойств, тем меньше будут потери мощности двигателя на трение в масле и больше экономия топлива. Однако если масляная пленка будет слишком тонкой, она не сможет предотвратить контакта одной трущейся поверхности с другой, тогда механические потери на трение и интенсивность износа деталей резко возрастут. И напротив, чем толще будет масляная пленка, тем больше будут потери мощности двигателя на трение в масле. Таким образом, показатель HTHS позволяет подобрать энергосберегающее масло, особенно для двигателей, значительную часть времени работающих при высоких оборотах коленчатого вала.

В заключение важно еще раз подчеркнуть, что обе подкатегории будут соответствовать одним и тем же жестким критериям испытаний и обеспечивать высокий уровень смазки и защиты деталей и узлов двигателей.

Какие преимущества моторные масла PC-12 обеспечат машинным паркам тяжелой техники?

За счет уменьшенной вязкости масел повысится к.п.д. двигателей и улучшится топливная экономичность. За счет повышенной устойчивости к окислению увеличатся интервалы замены масла. За счет улучшения противоизносных свойств увеличится надежность и долговечность двигателей. Таким образом, за счет всех упомянутых свойств моторных масел нового класса PC-12 уменьшатся эксплуатационные затраты машинных парков на обслуживание двигателей магистральных грузовиков и внедорожной техники.

Ожидается, что сложность производства масел класса PC-12 будет выше по сравнению с производством смазочных материалов предыдущего класса PC-11. Разнообразие характеристик вязкости у новых масел, вероятно, будет достаточно большим.

Заключение

Казалось бы, какое нам дело до экологических норм, которые вводятся в США? Но дело в том, что моторные масла РС-12, которые будут выпускаться вследствие введения этих норм, появятся в продаже по всему миру. Вслед за США начнут вводить аналогичные экологические нормы и в Европе, и в Японии, Южной Корее, Китае, Индии и т.д. Техника с двигателями, соответствующими этим стандартам, наверняка попадет и в нашу страну. И для нее потребуются масла класса РС-12. Поэтому стоит заранее ознакомиться с их особенностями.

Когда можно ожидать появления масел PC-12 на рынке? Выпуск в продажу первых лицензированных масел новой категории запланирован на 1 января 2027 г. или чуть позже, в первом квартале 2027 г.

Как смешанные машинные парки могут подготовиться к введению новых экологических норм и нового класса моторных масел PC-12? PC-12 станет следующим шагом в направлении снижения вязкости моторных масел и повышения топливной экономичности для машинных парков. Чтобы подготовиться к введению PC-12, следует про­анализировать состав вашего машинного парка и подумать, какие новые машины и оборудование вам могут потребоваться в ближайшие годы. Если это оборудование несерийное и будет изготавливаться по вашему заказу, срок изготовления может быть достаточно долгим и вам нужно будет предусмотреть в заказе, чтобы новая техника соответствовала перспективным экологическим нормам и была пригодна для работы на маловязком моторном масле нового класса.

Заказывая серийную технику, также следует учесть, что с 2027-го модельного года она будет комплектоваться двигателями, на которые уже будут распространяться новые экологические нормы по содержанию вредных выбросов в ОГ и уже рассчитанными на работу на моторных маслах нового класса PC-12.

По прогнозам, спрос на смазочные материалы SAE 10W-30 к 2029 г. снизится почти на 30%.