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 полиальфаолефины) до 0,5% массы (базовые компоненты Группы 1)…

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 полиальфаолефины) 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 входить 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 выбросов 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.

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.

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 оценивает 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
http://www.machinerylubrication.com