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.

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.

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

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.

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 представляют 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 используются 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 водоимпульсный 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.

Lawrence Ludwig, Jr., Schaeffer Manufacturing
www.newchemistry.ru, www.machinerylubrication.com