Норми, специфікації і випробування: чому так непросто розробити тести двигуна?

Зовсім недавно галузь щосили намагалася зібрати воєдино останню специфікацію моторної оливи для легкових автомобілів, ILSAC GF-6, відклавши її дебют до 1 травня 2020 року – на чотири роки від початкового терміну. Затримка стала настільки проблематичною, що в травні 2018 року була введена додаткова категорія під назвою API SN Plus, яка допомагає захистити двигуни від проблеми попереднього займання на низьких оборотах.

Такі затримки не обмежуються специфікаціями Північної Америки. Нова специфікація олив ACEA Європейської асоціації автовиробників мала бути випущена до кінця 2018 року, але була перенесена на другу половину 2020 року, в серпні оголосили про перегляд поточної специфікації, щоб вирішити проблеми, що виникли.

«ACEA планує включити тести Sequence IVB, Sequence X, Toyota Turbo, Mercedes-Benz M271Evo і Volkswagen TDI 3 в свої оновлені специфікації для ACEA 2020», – сказав Філіп Рів, директор консалтингової компанії ADLU з Великобританії. «ACEA як і раніше націлена на оновлення в четвертому кварталі 2020 року. Однак галузеві зустрічі припинені, оскільки глобальна пандемія «підірвала» бізнес. Оскільки не всі розробки тестів були завершені, укластися в терміни четвертого кварталу з урахуванням всіх оновлень виявляється дуже складним завданням ». Причина кожної серйозної затримки, підсумково, криється в розробці прийнятних тестів двигуна.

Всього один відкладений тест може «відкинути» всю категорію – чим більше нових тестів включено в специфікацію, тим більші затримки. Наприклад, ILSAC GF-2 потребував нового тесту на економію палива, і ця специфікація була впроваджена в строки. Але для ILSAC GF-3 відбулася затримка приблизно на два роки, з огляду на те, що кожне випробування було модернізовано, і промисловість перейшла від етилованого на неетиловане випробувальне паливо. ILSAC GF-6 було необхідно змінити всі випробування підшипників на корозію і в’язкість, крім випробувань на стійкість до корозії і в’язкості Sequence VIII, що призвело до чотирирічної затримки.

Для багатьох зацікавлених сторін такі роздуті терміни абсолютно неприйнятні. Для виробників комплектного обладнання категорії запізнень можуть уповільнити впровадження посилених засобів захисту системи викидів, поліпшень економії палива і захисту обладнання. Так було з новими двигунами з турбонаддувом меншого розміру, які постраждали від пошкодження LSPI (попереднє запалювання, яке відбувається в бензинових двигунах транспортних засобів, коли відбувається передчасне займання основного заряду палива), так як новий тест Sequence X був скасований.

Маркетологи моторних олив не можуть передбачити, як і коли очікувана категорія вплине на маркетинг і поставки їх нових продуктів. Нова технологія присадок і базових олив може потребувати капітальних вкладень, на планування і будівництво яких можуть піти роки. Ніхто не хоче вкладати кошти в об’єкти, які можуть через затримку в кілька років втратити актуальність.

Роберт Стоквелл, OEM-виробник і представник Chevron Oronite в Північній Америці, всю свою кар’єру працював над розробкою двигунів для випробувань. «Є дві основні причини для випробувань двигуна», – пояснив він. «Перша – це необхідність виправити вже існуючу проблему. Розробка тесту «навколо» відомої проблеми і ідентифікованого операційного циклу відносно проста і часто може бути завершена за пару років. Друга – запобігти очікуваних проблеми в майбутньому. Це набагато складніше, тому що під час розробки тестів виявляються нові речі, які можуть стати важливішими, ніж передбачалося спочатку. У багатьох випадках промисловість розробляє нові тести, що імітують попередні тести, але для більш нового устаткування », – додав він. «Це відносно простий процес, який може бути завершений через кілька років, якщо нове обладнання виробляє такий же механізм деградації, як і старе обладнання. Але при такому підході можуть виникнути і виникають складнощі ».

З роками апаратне забезпечення двигунів і технології еволюціонували, досягнення в області контрольно-вимірювальних приладів і автоматизації ускладнюють розробку тестів, які можуть правильно відрізнити прийнятну моторну оливу від неприйнятної.

Гордон Фарнсворт, колишній молодший інженер-дослідник Infineum USA, працював з виробниками комплектного обладнання і випробуваннями над розробкою тестів нових двигунів. «Двигуни стали набагато розумнішими з тих пір, як я вперше брав участь в розробці тестів», – сказав він. «Раніше ви могли бути впевнені, що тестуєте оливу, а не двигун. Сьогодні двигуни навчилися пристосовуватися до умов водіння, тому перше, що вам потрібно зробити, – це попрацювати з виробниками комплектного обладнання, щоб відключити деякі елементи управління ».

Майк Лохте, директор відділу досліджень моторних олив Південно-Західного дослідницького інституту в Сан-Антоніо, штат Техас, додав: «ECM (модуль управління двигуном) адаптує робочі параметри двигуна, такі як синхронізація запалювання, час і тривалість вприскування палива, рециркуляція вихлопних газів і інші параметри для оптимізації ефективності та мінімізації викидів. Що стосується тестування паливно-мастильних матеріалів, ми хочемо, щоб наступний тест виглядав так само, як попередній, тому OEM, що спонсорує тест, зазвичай блокує частину адаптації ECM. Були також розроблені випробування з фіксованими приводами клапанів для заміни регульованих приводів клапанів, керованих за допомогою ECM. Вся ця робота вимагає часу і координації між декількома групами ».

Анджела Вілліс з Willis Advanced Consulting, яка раніше працювала в General Motors, додала, що програмне забезпечення ECM може заважати роботі динамометрів двигуна. «Іноді фактичне калібрування двигуна дійсно необхідно змінити», – додала вона. Вся ця робота дорога для OEM-виробників.

Іноді зміна обладнання двигуна може уповільнити роботу. Наприклад, випробування на знос кулачка Sequence IVA було проведено на двигуні Nissan KA24E з системою підшипників штовхача кулачка ковзної конструкції. Sequence IVB працює на двигуні Toyota 2NR-FE з роликовим штовхачем. Конструкція роликового штовхача настільки знизила знос, що стало важко тестувати оливи на захист від зносу. В результаті, послідовність IVB була останнім завершеним тестом ILSAC GF-6 з тривалою затримкою.

«Ступінь зносу кулачка була настільки мала, що галузевій групі довелося зосередитися на дуже складних вимірах зносу штовхача клапана, на який тисне розпредвал», – сказав Лохте. «На додаток до середнього зносу впускного підйомника був доданий максимум втрат заліза в кінці випробування як засіб забезпечення безпеки для виявлення зносу всього двигуна. Нові компоненти двигуна дуже довговічні завдяки новітній конструкції і вдосконаленим технологіям виробництва », – пояснив він. «Це значно ускладнює проведення випробування на знос сучасного двигуна, оскільки більшість двигунів дуже надійні, а ступінь зносу настільки мала, що ії важко виміряти».

Проблема виникає і з моторними оливами для важких умов експлуатації. «Кілька років тому для випробування Mack T-12 була виготовлена ​​партія поршневих кілець з неправильним покриттям. Деталі були настільки міцними, що їх не можна було використовувати для вимірювання зносу, а партію не можна було використовувати для випробувань ASTM », – сказав Лохте.

«Сучасні автомобілі також менш схильні до утворення шламу через зміни робочих температур» – додав Фарнсворт. «Паливо може зіграти вирішальну роль в утворенні осаду, і змішування правильного тестового палива для тесту Sequence V стало однією з найсерйозніших проблем в галузі».

«Але технології також покращують самі випробування двигунів», – сказав Фарнсворт. «Раніше лаборанти перевіряли параметри власноруч, може бути, раз на годину. Комп’ютери тепер можуть відслідковувати вимірювання кожну секунду і контролювати речі в дуже вузькому діапазоні для широкого діапазону мастильних матеріалів і класів в’язкості». Хоча це підвищує точність, він зазначив, що такі засоби управління збільшують вартість і час розробки випробування двигуна.

У Стоквелла є ще одна теорія, що пояснює, чому розробка тестів двигунів в наші дні, здається, займає так багато часу: «Історично склалося так, що розробники тестів часто проводили тести всередині компанії протягом року або більше, перш ніж нафтова промисловість з ними ознайомилася . В ході цієї ранньої внутрішньої розробки виявлялося і вирішувалося безліч проблем. Навпаки, недавній тест Sequence IVB розроблявся як на долоні, і кожен побачив всі проблеми ще до їх виправлення ».

За словами Лохте, ще одним фактором є вартість. «Кожне випробування двигуна легкового автомобіля може коштувати компанії, яка добровільно його проведе, десятки тисяч доларів на запчастини, робочу силу і паливо. У разі випробування оливи для дизельного двигуна вартість кожного випробування може перевищувати 100 000 доларів. Важко виділити стільки грошей на те, що може спрацювати, а може і не спрацювати, не кажучи вже про ризик того, що хтось згодом може проголосувати проти цієї ідеї.

Крім технічних проблем, зазвичай різні компанії працюють над цим одночасно в різних лабораторіях, що уповільнює процесс. «Забезпечення відтворюваності результатів в різних лабораторіях при одночасному врахуванні унікальних особливостей кожної лабораторії є складним завданням. Одна справа – домогтися правильної диференціації або тестування поведінки на одному стенді в одній лабораторії. Але взяти це і глобалізувати – зовсім інша справа ».

Змінилися і самі оливи. ILSAC GF-6 представив SAE 0W-16 як найбільш рідку оливу, яка повинна бути включена в специфікацію, але розробники рецептур і компанії-виробники присадок тестують такі тонкі продукти, як SAE 0W-8 – клас в’язкості, який вже рекомендують деякі японські OEM- виробники.

Значні зусилля в галузі по заміні старих тестів і просуванню нових, схоже, застопорилися. Хоча нові специфікації не будуть потрібні протягом декількох років, деякі ветерани галузі стурбовані довговічністю випробувального устаткування, яке буде використовуватися не тільки для отримання сертифікатів API і ILSAC, але також для специфікацій ACEA і нового продукту з низькою в’язкістю, розробленого Японської організацією по автомобільним стандартам.

Наступна категорія моторних олив для важких умов експлуатації, PC-12, також може потребувати нових тестів. Деякі OEM-виробники припинили виробництво обладнання, яке використовувалося в деяких тестах, і старі двигуни можуть не відповідати новому обладнанню.

Стоквелл закликав індустрію почати розробку тестів раніше, включаючи забезпечення необхідних ресурсів. «Якщо галузь буде продовжувати покладатися на випробування двигунів для визначення характеристик моторної оливи, то я передбачаю, що це стане ще більш важким процесом, особливо з урахуванням того, що OEM-ресурси перейдуть на технології електрифікації», – сказав Вілліс.