Снижение трения в малоразмерном дизеле при помощи низковязких масел и масел PAG

[torcon 64 424]

Снижение трения в малоразмерном дизеле при помощи низковязких масел и масел PAG

 

Авторы: Дэвид Э. Сандер 1, *, Кристоф Кнаудер 1, Ханнес Аллмайер 1, Славица Дамьянович-Ле Балер 2
и Филипп Маллет 3
1. «Трибология и эффективность», Центр исследования виртуальных транспортных средств, Inffeldgasse 21A, 8010 Грац, Австрия
2. Механическая конструкция трансмиссии, Технический центр Renault Lardy, 1 Allée Cornuel, 91510 Lardy, Франция
3. Diesel Advanced Engineering Technologies, Рено Техноцентр, 1 Авеню дю Гольф, F78084 Guyancourt Cedex, Франция
Опубликовано: 7 апреля 2017.

 

Предисловие: С увеличением потребности в сокращении выбросов, снижение трения стало актуальной темой в автомобильной промышленности. Среди различных способов уменьшить механическое трение, использование низковязкого масла в двигателе является одним из наиболее эффективных и экономичных способов. Поэтому постоянно разрабатываются новые смазочные материалы с меньшей вязкостью, которые обещают снизить трение в двигателе не приводя к его износу. В этой работе, дизельный двигатель объемом 1,6 л (Renault R9M Renault Megane, Nissan X-Trail, Nissan Qashqai итд.) используется для изучения трения в двигателе. Это испытательный стенд для определения потенциала снижения трения с использованием различных масел с низкой вязкостью в реалистичных условиях. Условия эксплуатации включают высокие нагрузки двигателя. В частности, два масла 0W-30 и 0W-20, а также новое экспериментальное масло, основанное на полиалкиленгликоля PAG c большим содержанием. Трение в двигателе измеряется для всех трех масел. Результаты демонстрируют общее преимущество (около 5%) для 0W-20 по сравнению со смазкой 0W-30. Масло на основе PAG, показывает сильное снижение потерь на трении, которые примерно на 25% меньше, чем для масел 0W-20. Масло 0W-20, как и масло на основе PAG. имеют одинаковую HTHS-вязкость. Результаты противоречат общему мнению, что HTHS-вязкость является главным фактором в снижении трения.

 

Введение. В условиях все более строгого международного законодательства о выбросах в атмосферу, автомобильная промышленность всегда стремится оптимизировать эффективность транспортных средств. Снижение трения является одним из наиболее эффективных способов снизить расход топлива и выбросы. Следовательно, постоянно снижается вязкость смазочных материалов. Разрабатываются и продаются масла, которые обещают уменьшить трение двигателя, избегая износ. Обычные масла используются и исследуются в автомобильной отрасли в течение многих десятилетий. Тем не менее, похоже, что даже низковязкие масла ближайшего будущего, находятся на пределе своих возможностей. Например, более высокое испарение масел с низкой вязкостью, может привести к невыгодному увеличению расхода масла. В настоящее время разрабатывается несколько альтернативных смазочных материалов. Особенно для масел с низкой вязкостью, таких как Liquid Ion - жидкие ионы и смазки на основе полиалкиленгликоля PAG. Несмотря на большую разницу в вязкости масел - 25% и более (см. таблицу 1), влияние на снижение трения незначительное. 

Для экспериментального измерения полезности отдельных смазочных материалов нужны точные испытательные стенды. В этой работе исследуются два обычных универсальных масла на углеводородной основе (0W-30 и 0W-20) и масло на основе полиалкиленгликоля PAG. Эти масла испытываются на моторном стенде - малоразмерном дизельном двигателе, в разных условиях эксплуатации, включая высокие нагрузки. Та же самое полиалкиленгликолевое масло, было недавно протестировано для использования в автомобильной промышленности (Cuthbert, J.; Gangopadhyay, A.; Elie, L.; Liu, Z.; Mcwatt, D.; Hock, E.D.; Erdemir, A. Engine Friction and Wear Performances with Polyalkylene Glycol Engine Oils; SAE Technical Paper 2016-01-2271; SAE International: Warrendale, PA, USA, 2016.). По сравнению с их работой, это исследование является первым, которое действительно проверило это масло под нагрузкой в  двигателе.

 

Тестирование. Далее, испытательный стенд используемый для тестирования трения в двигателе, исследуемые смазочные материалы и тестируемый двигатель.

 

2.1. Динамометр

Для измерений использовался специальный испытательный стенд. При работе двигателя установка под давлением подает воздух во впуск. В сочетании с собственным сжатием двигателя, пиковое давление реализуют до 200 бар в цилиндрах, в камере сгорания. Этот метод имеет главное преимущество, гораздо более высокая точность измерений по сравнению с испытаниями на работающем двигателе. В сравнении с запущенной операцией, сильно снижается точность (примерно в 4 раза) указанного среднего эффективного давления (IMEP).  Поэтому датчики крутящего момента с гораздо меньшим диапазоном измерения и, следовательно, может быть использована гораздо более высокая абсолютная точность. При испытаниях на работающем двигателе не только охлаждается, требуются пьезоэлектрические датчики и специальные головки цилиндров. В частности, это относится к бензиновым двигателям, где это распространено чтобы увидеть более чем 20% изменение пикового давления в цилиндре от цикла к циклу. Главный недостаток при работе под давлением, различная тепловая картина в поршне в сборе. Однако прямое сравнение измерений трения для одного и того же дизельного двигателя в режиме сгорания и под давлением автомобильный транспорт показал очень похожие результаты. 

 

В автомобильной технике под давлением для определения трения используется хорошо известный метод IMEP. среднее эффективное давление (FMEP) путем вычитания среднего эффективного давления (BMEP),

 

FMEP = IMEP - BMEP

 

с небольшим отличием в том, что признаки IMEP и BMEP являются отрицательными по сравнению с работающим двигателем. При использовании IMEP-метода для исследования потерь на трение двигателя, необходимо определить две величины: указанную мощность и мощность торможения двигателя с максимально возможной точностью. Причина этого заключается в том, что IMEP и BMEP - два больших и очень величины одинакового размера, которые вычитаются друг из друга для определения довольно небольшой разницы
(FMEP). Поэтому любая существенная ошибка в определении BMEP и IMEP может легко привести к погрешность измерения той же величины, что и определяемый FMEP.

 

На практике IMEP измеряется с помощью пьезоэлектрических датчиков в камере сгорания. Тем не менее, BMEP не может быть измерен непосредственно как давление, а обычно измеряется как тормоз крутящего момента.

Следующее уравнение связывает среднее эффективное давление pme с соответствующим крутящим моментом T, где W относится к работе за цикл, а VD к объему перемещения исследуемого 4-х тактного двигателя. 

 

На испытательном стенде с фрикционным динамометром для измерения тормозного момента и частоты вращения двигателя используется высокоточная система измерения крутящего момента (HBM T12) со встроенным датчиком частоты вращения двигателя. Для определения IMEP важно с высокой точностью определить положение верхней мертвой точки (ВМТ) поршня. Для этой задачи используется емкостный датчик ВМТ (AVL OT428) для обеспечения высокой точности определения ВМТ. В идеале, определение ВМТ следует проводить для каждого рабочего условия, поскольку нагрузка двигателя и даже температура масла влияют на точное положение верхней мертвой точки. Распространенным компромиссом является выполнение определения ВМТ для важных рабочих условий, поэтому ВМТ определяется для частоты вращения двигателя 2500 об / мин. Масло и охлаждающая жидкость тестируемого двигателя предоставляются снаружи. Температура и давление подаваемого масла и охлаждающей жидкости очень хорошо стабилизированы и изменяются значительно меньше, чем номинальная точность используемых датчиков: для измерения температуры используются термопары типа K с точностью около 0,5°С. Используемые датчики давления имеют точность около 0,05 бар. Давление в цилиндрах измеряется во всех цилиндрах с помощью пьезоэлектрических датчиков давления.

 

2.2 Тестируемые масла

В этом исследовании анализируются три различных смазочных материала и их влияние на эффективность двигателя. Первоначально двигатель рассчитан на работу с моторными маслами класса SAE 5W-30 / 0W-30. Поэтому для дальнейшего сравнения выбрано полностью синтетическое моторное масло 0W30 (Shell PC2018) для дизельных двигателей. Второе масло низкой вязкости, представляет собой полностью синтетическое моторное масло 0W20 (Shell PC2016) с аналогичным пакетом присадок, который применяется в моторном масле 0W-30. Третье моторное масло полностью разработано с использованием базового материала на основе полиалкиленгликоля (PG) (Dow E72 XZ97011.01). Он сделан специально для использования в двигателях внутреннего сгорания и имеет очень высокий индекс вязкости. (VI) без необходимости добавлять полимерный загуститель. Полимерные загустители могут вызывать значительное неньютоновское поведение смазки. Следовательно, ожидается, что масло без них сохранит свою высокую вязкость даже при наличии локально высоких скоростей сдвига, что является преимуществом для высоконагруженных пар трения.

 

В этой работе термины 0W30, 0W20 и полиалкиленгликоль PAG используются для краткости только для обозначения этих смазочных материалов вместо их полных названий.

 

Одно из свойств масла, а именно вязкость при высокой скорости сдвига и высокой температуре (HTHS-вязкость, определенная при 150 ° С и скорости сдвига 106с1), не только тесно связано с экономией топлива, но даже предлагается линейная зависимость. Как и ожидалось, смазка 0W-30 демонстрирует более высокую вязкость HTHS, чем в двух других маслах (3,2 мПа против 2,6 мПа). Нужно отметить, что HTHS для 0W-20 и смазки на основе полиалкиленгликоля PAG - идентична. Таким образом, с точки зрения чистой вязкости HTHS, можно ожидать того же уровня трения в двигателе от смазочных материалов 0W20 и PG.

 

На рисунке 1, показано температурное поведение для вязкости и плотности исследуемых масел. Примечательно, что, как видно из рисунка, плотность PG на 20% выше, по сравнению с синтетическими моторными маслами на углеводородной основе.

 

Рисунок 1. Свойства масел в зависимости от температуры. (Слева) Кинематическая вязкость. (Справа) Плотность (обратите внимание, что кривые для плотностей 0W30 и 0W20 на правом графике совпадают).

 

В ходе экспериментальных испытаний особое внимание уделяется моменту, когда в двигатель подается другое масло. Интенсивная промывка системы выполняется во избежание того, чтобы оставшиеся остатки от предыдущего масла смешались с новым маслом. Обычно считается, что от 10 до 15% предыдущего масла остается в двигателе, и этого достаточно, чтобы повлиять на измерения нового масла. Поэтому двигатель дважды промывается новым маслом, прежде чем он получит окончательное заполнение новым маслом.

 

Моторные испытания.

Двигатель легкового автомобиля представляет собой рядный четырехцилиндровый дизельный двигатель Common Rail с турбонаддувом и рабочим объемом 1,6 литра, мощностью 100–130 кВт. (Renault R9M). В таблице 2 перечислены технические характеристики двигателя. Двигатель используется в широком спектре легковых и легких коммерческих автомобилей. Среди прочего, он использует стальные поршни, которые уменьшают потери мощности на трение поршневого узла из-за их уменьшенного теплового расширения.

 

Подготовка двигателя: для измерения потерь мощности на трение, все вспомогательные устройства, такие как масляный насос, водяной насос, генератор переменного тока и т.д были сняты с двигателя. Кроме того, насос Common Rail системы впрыска был удален. Первоначально он приводится в действие клапанной системой. Следовательно, удаление вспомогательных систем снижает нагрузку на механизм ГРМ.

 

Чтобы реализовать внешнее управление температурой и давлением, были изменены несколько деталей двигателя, например масляный модуль и картер двигателя. Охлаждающая жидкость и моторное масло поступают от внешних блоков, в которых контролируется температура и давление подачи. Температуры и давление подачи измеряются непосредственно в контуре охлаждающей жидкости и масляной системе двигателя.

 

 

Чтобы иметь возможность исследовать влияние различных масел на температуру в главных подшипниках, температуры каждого основного подшипника измеряются с помощью термопар типа К. Датчики температуры измеряют температуру в задней части корпуса подшипника, как показано на рисунке 2. Используемая схема нумерации основных подшипников начинается с основного подшипника 1, расположенного рядом с приводом газораспределительного механизма.

 

Рисунок 2. Температурные датчики измеряют температуру каждого главного подшипника. 

 

Рабочие условия в диапазоне от низких до высоких оборотов двигателя при низких и высоких нагрузках двигателя выполняются для двух разных температур охлаждающей жидкости/масла. Для испытаний температура подачи масла и охлаждающей жидкости поддерживается одинаковой; поэтому термин "температура среды" будет использоваться в будущем для краткости.
 

Рабочие условия (скорости и нагрузки), для которых тестируется двигатель, показаны на рисунке 3. Эти рабочие условия двигателя выполняются для температур среды 70С и 90С. Перед измерениями двигатель работает в соответствии со стандартной схемой производителя. Никаких существенных изменений в трении двигателя не было обнаружено во время или после последующих испытаний.

 

 

Рисунок 3. Описание процедуры испытаний. Схема слева - испытания охватили весь диапазон рабочих условий двигателя (с точки зрения скорости и нагрузки). Схема справа - блок-схема проверенных условий эксплуатации двигателя. Испытания проводятся для двух различных температур среды (70 ° C, 90 ° C) и проводятся для трех различных масел (0W30, 0W20 и PG, в этом порядке).

 

Результаты. В этом разделе потери на трение в двигателе, представлены для всех трех испытанных масел. Результаты обсуждают момент трения для условий работы двигателя и нагрузки. Кроме того, исследуется влияние различных масел на температуру главных подшипников и температуру масла на выходе.

 

3.1 Моторные испытания момента трения. 

Начиная с результатов для условий движения, полученные моменты трения двигателя для испытанных смазочных материалов показаны на рисунке 4. На рисунке показаны результаты для двух различных температур среды, а именно 70 и 90°С.

Рисунок 4. Момент трения испытуемого двигателя в условиях движения для 0W-30 (черный), 0W20 (красный) и PG
(Зеленый). График слева - температура среды составляет 70С. График справа - температура среды составляет 90С.

 

Для всех трех смазочных материалов момент трения увеличивается с увеличением частоты вращения двигателя. На высокой скорости (около 3500 об / мин) наклон крутящего момента дополнительно увеличивается. Хотя вязкость смазочных материалов уменьшается примерно на 40% при увеличении температуры среды от 70 до 90 ° С (см. Рисунок 1), результирующая разница общего трения двигателя для этих двух температур среды значительно меньше (всего около 10%).

 

Наибольший момент трения достигается при 0W-30 для обеих температур среды. При 90°C момент трения с 0W-30 увеличивается с 5,6 Нм при 1500 об/мин до 10,1 Нм при 4000 об/мин и почти удваивает свое значение. Для более низкой температуры среды 70°C соответствующие моменты трения находятся в диапазоне от 6,2 до 11,1 Нм. Аналогичная тенденция наблюдается при снижении вязкости с использованием низковязкой смазки, такой как 0W20. При обеих температурах среды моменты трения, полученные с 0W-20, ниже соответствующих моментов трения эталонной смазки (0W-30). Снижение момента трения колеблется от 0,1 до 0,5 Нм. Значительно более низкий момент трения достигается с помощью PAG. По сравнению с 0W-30 можно наблюдать снижение момента трения от 0,4 до 0,9 Нм. На рисунке 5 показано снижение трения 0W-20 и PAG относительно смазки 0W-30. Интересно отметить, что измеренные различия в моменте трения, которые составляют всего 0,1 Нм, составляют всего 0,03% от номинального крутящего момента двигателя. Это свидетельствует о высокой точности используемой испытательной установки и о том, что такая высокая точность необходима для исследования различных смазочных материалов.

Рисунок 5. Преимущество масел 0W-20 и PAG пос cравнению с 0W-30 в условиях движения. 0W-20 (черный) и PG (красный) относительно момента трения, полученного у 0W-30. График слева - температура 70 С.  График справа - температура 90С.

 

Для температуры среды 70°С 0W-20 показывает почти постоянное преимущество трения, составляющее примерно 2%. PG показывает максимальный выигрыш от трения 11,8% при 2000 об / мин. С увеличением частоты вращения двигателя преимущество трения PAG уменьшается. При 4000 об / мин преимущество трения составляет 3,8%. При температуре 90C получены аналогичные результаты. По сравнению с маслом PG, 0W-20 снова показывает более устойчивое преимущество трения в диапазоне оборотов двигателя. При увеличении температуры среды от 70 до 90 ° С коэффициент трения 0W20 также увеличивается примерно с 2,2% до 5%. Вероятным объяснением большей выгоды при более высокой температуре, может быть увеличение разницы в вязкости между двумя маслами с повышением температуры (сравните рисунок 1). Для PG преимущество по трению составляет от 8,8% до 14,6%. Снова, это показывает тенденцию снижения с более высокой частотой вращения двигателя.

 

3.2. Испытания двигателя на трение под нагрузкой.
Для 0W-30 и 0W-20 выполняется вся процедура испытания в нагруженном состоянии. Таким образом, достигается давление в цилиндре до 180 бар, а скорость варьируется от 1500 до 4000 об/мин (см. Рис. 3). Для краткости результаты, показанные в этом разделе, взяты при температуре 90°C. На рисунке 6 показан момент трения, полученный с 0W-30 на левой диаграмме, и момент трения, полученный с 0W-20 на правой диаграмме.

Рисунок 6. Момент трения нагруженного двигателя с температурой 90 С. Слева - масло 0W-30. Справа - масло 0W-20. 

 

В целом, оба смазочных материала демонстрируют одинаковое поведение трения во всем диапазоне скоростей и нагрузки. Для обоих смазочных материалов самый низкий момент трения возникает при низкой скорости и низкой нагрузке. С увеличением оборотов двигателя, крутящий момент трения увеличивается, как уже было видно по результатам испытаний. Кроме того, момент трения увеличивается с увеличением нагрузки. Следовательно, максимальный момент трения возникает при 4000 об/мин и при пиковом давлении в цилиндре 180 бар.

 

Оба смазочных материала демонстрируют довольно сильное увеличение момента трения при нагрузке, особенно при 2000 об / мин. Следовательно, момент трения при 2000 об/мин и пиковое давление в цилиндре 180 бар выше по сравнению с той же нагрузкой при 2500 об/мин и 3000 об/мин. Во всем диапазоне скорости и нагрузки 0W-20 показывает более низкий момент трения по сравнению с 0W-30. Разница между двумя смазочными материалами составляет от 0,2 Нм до 0,5 Нм. Увеличение момента трения, при увеличении пикового давления в цилиндре при 2000 об / мин, кроме того, представлено на рисунке 7 на диаграмме слева. На этом рисунке показан момент трения, полученный с добавлением PG.

Рисунок 7. Результаты испытания двигателя под нагрузкой при 2000 об/мин и температуре среды 90С.  Слева - момент трения двигателя в нагруженных условиях для 0W-30 (черный), 0W-20 (красный) и PG (зеленый). Справа - преимущество трения для испытательного двигателя при нагруженных условиях для 0W-20 (черный) и PG (красный), связанных с моментом трения, полученным от 0W30.

 

Сравнивая влияние частоты вращения двигателя, рисунок 4, с эффектом нагрузки для частоты вращения двигателя 2000 об/мин, рисунок 7, интересно отметить, что и скорость, и нагрузка оказывают примерно одинаковое влияние и почти вдвое увеличивают общий момент трения двигателя (крутящий момент трения составляет от 6,2 до 11,1 Нм при частоте вращения двигателя от 1500 до 4000 об/мин для 0W-30 по сравнению с моментом трения от 6,2 до 10,2 Нм при 2000 об/мин при пиковом давлении в цилиндре от 40 до 180 бар). Примечательно, что влияние нагрузки двигателя на момент трения двигателя является самым сильным для 2000 об / мин и слабее для более высоких оборотов двигателя, см. Рисунок 6. Однако, даже если моменты трения имеют одинаковую величину для этих двух рабочих точек, соответствующие потери мощности трения (которые влияют на расход топлива) по-прежнему только половина при 2000 об / мин по сравнению с 4000 об / мин. Момент трения, полученный при 0W-30, увеличивается от 6,2 Нм при пиковом давлении в цилиндре примерно 40 бар до 10,2 Нм при пиковом давлении в цилиндре 180 бар. Для 0W-20 тренд момента трения аналогичен, но его величина уменьшается примерно на 0,4 Нм. Однако PG демонстрирует другое поведение по сравнению с 0W-30 и 0W-20. Влияние нагрузки на момент трения значительно ниже; момент трения увеличивается от 5,3 Нм при пиковом давлении цилиндра 40 бар до 7,1 Нм при пиковом давлении цилиндра 180 бар. Таким образом, при максимальной нагрузке достигается резкое снижение на 3,1 Нм по сравнению с моментом трения при 0W-30. Диаграмма справа на рисунке 7 показывает преимущество трения для 0W20 и PG, относительно масла 0W-30. Хотя коэффициент трения, равный примерно 5% для 0W-20, остается достаточно стабильным по сравнению с пиковым давлением в цилиндре, коэффициент трения для PG увеличивается с 15% до 30%.

 

3.3 Температуры главных подшипников скольжения (коренных вкладышей). 

В дополнение к общему трению двигателя, измеряется температура главных подшипников, чтобы оценить влияние смазки на рабочие характеристики подшипников. Два эффекта возникают одновременно при смене смазки с разными физическими свойствами. Во-первых, потери из-за вязкостного трения изменяются так, что это влияет на рассеивание тепла и температуру подшипника. Во-вторых, вязкость влияет на циркуляцию масла через подшипник и, следовательно, изменяется тепловая конвекция, что снова влияет на температуру основного подшипника. Следовательно, эти два эффекта не отделены друг от друга в этом исследовании.

 

На рисунке 8 показаны измеренные температуры на главном подшипнике N1 (схема слева) и главном подшипнике N3 (схема справа). Главный подшипник N1 расположен на приводе газораспределительного механизма, а главный подшипник N3 расположен в центре коленчатого вала. В дополнение к измеренным температурам подшипников показаны температуры подачи масла, которые очень стабильны в течение всей процедуры испытания.

 

Рисунок 8. Температура главных подшипников и температура подачи масла тестируемого двигателя в условиях движения для 0W-30 (черный), 0W-20 (красный) и PG (зеленый). Температура среды составляет 90С. (Слева) Главный подшипник 1, расположенный на приводе ГРМ. (Справа) Главный подшипник 3, расположенный в центре.
 

Как правило, температура подшипника увеличивается с увеличением частоты вращения двигателя. Из-за более высоких напряжений сдвига в смазочной пленке на высокой скорости, происходит более высокое трение и рассеивание тепла. При 1500 об / мин температура основного подшипника лишь немного выше по сравнению с температурой подачи масла. Для двух углеводородных масел 0W-30 и 0W-20 температура составляет 91°C для главного подшипника N1, и 92°C для подшипника N3. Температура подшипника, полученная на масле PAG, ниже, чем температуры, полученные на 0W-30 и 0W-20. Разница температур между тремя маслами увеличивается с увеличением оборотов двигателя. Самая высокая температура, а следовательно и самые большие потери на трение, в главных подшипниках возникают на масле 0W-30, за которыми следуют 0W-20 и PAG. При 4000 об/мин разница температур составляет 1,5°С между 0W-30 и 0W-20 и 3–4°С между 0W-30 и PAG.

 

Повышение температуры в главных подшипниках под нагрузкой, показано на рисунке 9. Опять же, главный подшипник N1 и главный подшипник N3 показаны на двух диаграммах. Главный подшипник N3 демонстрирует более сильное повышение температуры и трения из-за того, что на подшипник действует нагрузка двух соседних цилиндров, в то время как главный подшипник N1, имеет только один соседний цилиндр. Температура увеличивается линейно с повышением давления в цилиндре. В то время как температура подшипника увеличивается для 0W-30 и 0W-20 параллельно, наклон кривой у PAG немного меньше. Следовательно, температура и трение в главных подшипниках особенно важны при высоких нагрузках на двигатель.

 

Рисунок 9. Температура главных подшипников и температура подачи масла в условиях нагрузок. Масло 0W-30 (черный), 0W20 (красный) и PAG (зеленый). Температура среды составляет 90С. (Слева) главный подшипник N1, расположенный на приводе ГРМ. (Справа) Главный подшипник N3, расположенный в центре.

 

3.4. Температура масла на выходе.

Большая часть тепла, генерируемого трением в двигателе, отводится маслом. Следовательно, температура масла на выходе показывает охлаждающую способность масел. На рисунке 10, показана температура масла на выходе, в обычном режиме - на левой диаграмме, и в нагруженном режиме - на правой диаграмме.

 

Температура масла на выходе, увеличивается с увеличением скорости и нагрузки, за исключением последнего шага, где обороты 4000 об/мин. Причина этого заключается в том, что при 4000 об/мин давление подачи масла увеличивается на 2,2 бар. Следовательно, больше масла течет через подшипники и переносит больше тепла. Два масла на углеводородной основе 0W-30 и 0W-20, сначала показывают одинаковые температуры на выходе. Только при высокой скорости и высоких пиковых давлениях в цилиндре, 0W-20 показывает более низкую температуру, которая соответствует общим потерям на трение в двигателе (сравните рисунки 4 и 7). Температура на выходе у масла PAG, явно ниже температур, которые наблюдались у масел 0W-20 и 0W-30. Помимо меньшего тепловыделения из-за меньшего трения в двигателе, более высокая теплоемкость масел PAG, имеет дополнительное преимущество в охлаждении двигателя.

 

Рисунок 10. Температура масла на выходе и температура подачи масла в тестируемом двигателе. Масло 0W-30 (черный), масло 0W-20 (красный) и PAG (зеленый). Температура среды составляет 90С. (Слева) Обычные условия. (Справа) Загруженные условия при 2000 об/мин.

 

Выводы: 

В этом исследовании изучается возможность снижения трения за счет использования масел низкой вязкости на малоразмерном дизельном двигателе. Поскольку двигатель рассчитан на работу с маслами вязкости 0W-30, это масло представляет собой эталон для сравнения с двумя другими маслами 0W-20 и PAG.

 

Полученный в исследовании момент трения показывает характерное поведение. Частота оборотов двигателя и нагрузка на двигатель, увеличивают общее трение в одинаковой степени. При нормальных условиях, когда температура среды повышается с 70°С до 90°C - разница составляет примерно 10%, ввиду более низкой вязкости смазочного материала при высоких температурах.

 

4.1. Синтетические масла низкой вязкости. 

Механические характеристики двигателя анализируются с помощью полностью синтетического масла с низкой вязкостью (0W-20), и результаты сравниваются с результатами эталонного масла (0W-30). Тенденции изменения момента трения в зависимости от скорости и нагрузки одинаковы для обеих смазочных материалов. Следовательно, наличие контакта металл-металл в парах трения представляется маловероятным, так как это приведет к повышенному моменту трения.

 

Потенциал снижения общих потерь на трении в двигателе с помощью 0W-20 идентифицирован для всего исследуемого числа оборотов двигателя и диапазона нагрузок. При температуре среды 90°C, потери на трение снижаются примерно на 5% в условиях движения и при нагрузке на оборотах 2000 об/мин. Следует отметить, что разница в вязкости HTHS почти на 25% (между 3,2 мПас против 2,6 мПас) необходима для получения этой 5%-ной выгоды снижения трения на 0W-20.

 

Температуры главных подшипников также оцениваются для обоих масел 0W-20 и 0W-30. Трение в подшипниках вызывает нагрев, и как следствие, температура подшипников увеличивается. Из-за меньших потерь на трение в подшипниках при использовании 0W-20 вместо 0W-30, наблюдается более низкая температура. Температура подшипника будет повышаться, если присутствует контакт металл-металл. Следовательно, можно предположить, что главные подшипники работают в режиме чистой гидродинамической смазки.

 

4.2 Низковязкое масло на основе полиалкиленгликоля PAG.

Третьим смазочным материалом, изученным в этом исследовании, является сверхнизковязкое масло на основе полиалкиленгликоля (PAG). Результаты показывают, что PAG дает большой потенциал снижения трения в двигателе. Хоть смазка PAG имеет такую же вязкость HTHS = 2,6 мПас, как у тестируемого масла 0W-20, получена большая разница в моменте трения. Это противоречит предыдущим работам, которые связывают HTHS-вязкость непосредственно с расходом топлива, что, по-видимому, справедливо только для углеводородных масел.

 

По сравнению с 0W-30, момент трения при использовании масла PAG, уменьшается примерно на 10% в условиях движения, а при высокой нагрузке наблюдается заметное преимущество в эффективности до 30%. Очень низкая вязкость по сравнению с 0W-30 приводит к снижению трения в парах трения, которые работают в режиме чистой гидродинамической смазки. Следовательно, главные подшипники имеют более низкую температуру из-за меньшего трения. Дополнительное преимущество может появиться в парах терния, которые работают в смешанном и граничном режиме смазки.

       Наряду с преимуществом в трении, исследуемое масло PAG, обладает более высокой теплоемкостью по сравнению с двумя углеводородными моторными маслами. Следовательно, в этом исследовании определена лучшая эффективность охлаждения на маслах PAG. Тем не менее, вероятность использования масел на основе полиалкиленгликоля в будущем, зависит и от других свойств; например, химическая совместимость PAG с другими материалами, показателями износа, совместимость с DLC-покрытиями и старения в двигателе.

 

Оригинал статьи: Low-viscosity PAG Lubricants.pdf

[Kuroneko 2 810]

 

 

Я никогда не видел значимого анализа с использованием моторных масел, в которых в качестве основной основы использовался полиалкиленгликоль.
Это просто теория.
Любая теория возможна.
Если есть что-то значимое,
Нефтяные гиганты, такие как Mobil, Shell, BP Castrol, Total будут использовать его в крупных нефтяных компаниях.
Но я не видел ничего подобного в моторном масле.
 

Скрытый текст

The Case for PAGs
Beyond these obvious benefits, PAGs demonstrate Superior load carrying ability, Superior thermal stability (withstanding temperatures up to 250 F), Material compatibility, are fire resistant and are not only heavier than water (specific gravity of approximately 1.03), but also dissolve readily when mixed with water. Since these products completely dissolve and dissipate when discharged into water, they do not form an oil slick that can contaminate seabirds, beavers, otters or foul shorelines and contaminate marshes. The slick itself, regardless of the toxicity or biodegradability of the oil in the event of a spill accounts for much of the initial mortality in marine wildlife in the initial stages of the discharge.
One of the reasons the US EPA enacted the ‘Clean Water Act of 1990” and the “Non-sheening regulation 40 CFR 435” was to try to reduce the environmental impact of any type of free oil floating in the surface of the water. If the fluid is neither a hazardous chemical and is not considered oil, it is exempt from this act as well as OPA 90 oil spill cleanup regulations. This will not only reduce or eliminate fines but can dramatically reduce the scope and costs associated with aquatic oil spill cleanup procedures and remediation.
PAGs can be designed and tailored achieve certain characteristics or capabilities in order to perform very specific functions or performance requirements to suit the application (“designed”, not refined).
Finally, PAG fluids are suited to the marine environment. They have very minimal or a negligible reaction to the presence of moisture or water, so corrosive acids and gums are not produced, as they would be with hydrocarbons and especially vegetable oils and vegetable esters. They can accept up to 1.5% water contamination (15,000ppm) before any performance degradation. There is no saturation point as there is with conventional hydrocarbons (maximum saturation point of most mineral oils is 200 ppm), but viscosity and lubricity will slowly be reduced as the water content is increased. PAG fluids also offer excellent corrosion protection if affected by water; after all, water glycol hydraulic fluids used in the steel and smelting industry contain up to 45% water.

 

Изменено 25 июня 2020 пользователем Kuroneko

[ПавелТ 2 041]

Это эксперимент, они же пишут что нужно исследования на совместимость и деградацию.Интересно, но пока катаем старые масла, имхо

[Projector 7 197]

Kuroneko вязкость ни у одной из баз не указана , вполне может быть что у минералки 8sst , а у PAG 5sst 

[avignon 2 337]

Я вот не против в принципе против низковязких масел, при условии достаточности создаваемого ими давления. А в исследовании параметр давление вообще не упоминается. Для стендовых испытаний той вязкости может и достаточно, но так ли это будет в реальных условиях?

[Finik 1 049]

25.06.2020 в 12:08, ПавелТ сказал:

Интересно, но пока катаем старые масла, имхо

Не все)) 

[Dimitreska 2 214]

Заберу на трейловский форум

[torcon 64 424]

25.06.2020 в 13:28, ValeRus сказал:

torcon ты раньше советовал заливать в дизеля масло по гуще как по кинематической, так и по динамической вязкости. После этой статьи у тебя изменилось мнение? Просто из любопытства спрашиваю...

не знаю, всегда по вязкости придерживался рекомендаций в мануале. Если рекомендовано 5W-30, то залить 5W-30 не видел проблемы...  По CCS давно известно что если у масла 5500-6000 - в этом масле больше нативной вязкости. Оно крепче. Дизельные масла кстати такие и есть в основном... ACEA C3 5W-40, ACEA C3 5W-30, API CI-4, API CJ-4 - они же все с высокой истинной вязкостью базового масла и малым количеством полимерного загустителя.

 

25.06.2020 в 13:53, Projector сказал:

И обратите внимание что тут сравнивалось именно гидродинамическое трение , то есть трение самого масла о подшипники скольжения , понятно что чем выше вязкость масла тем трение выше , и при повышение гидродинамического трения на 10% не означает увеличение износа на 10% , и в исследование не упоминалась и не проводилось работа над крутильными колебаниями коленчатого вала , как себя поведет пленка с маслом в 5sst при 100С ?

в статье же сказано, если бы было трение пары метал-метал - повысилась бы температура подшипника. Все просто  Цель статьи не износ показать, а разницу между вязкостями и природой масел (VHVI GTL PAG) в подшипниках скольжения. 

 

"Если бы температура была выше?". Можно посмотреть все отработки на 0W-20 5W-20 на форуме, не увидел массового падежа вкладышей и увеличения группы свинец-олово-алюминий. Видимо где то в теории да, если температура будет теоретически 250С - то во вкладышах будет контакт метал метал. Но в реальности - не видно.  При этом нужно понимать что "износится" все и 5W-40 и 10W-60... потому что это не штатный режим. То что высоковязкие масла с большей нативной вязкостью, чуть позже это сделают чем 0W-20 - этого никто не отрицает. Об этом еще мануалы говорили в 2000х-2010х. Помните строки "при высоких скоростях, буксировке прицепа - масло с более высокой вязкостью будет предпочтительнее". Оно самое. Тяжелая нагрузка на подшипники коленчатого вала и высокая температура где масло сильно снижает вязкость. 

[torcon 64 424]

PAG как и эстеры - дорогие, поэтому вы вряд ли увидите их у Mobil, Shell, BP, ZIC. Это экономически целесообразные компании... Возможно в будущем появятся новые стандарты и требования для низковязких масел, где гидрокрекинг и ПАО уже не будут справляться с задачами, тогда появятся дорогие масла 0W-10 0W-16 0W-20 на PAG. Как сейчас появились всякие 229.71 и С5 на органических модификаторах трения.