Нормы, спецификации и испытания: почему так непросто разработать тесты двигателя?

Совсем недавно отрасль изо всех сил пыталась собрать воедино последнюю спецификацию моторного масла для легковых автомобилей, ILSAC GF-6, отложив ее дебют до 1 мая 2020 года – на четыре года от первоначального срока. Задержка стала настолько проблематичной, что в мае 2018 года была введена дополнительная категория под названием API SN Plus, которая помогает защитить двигатели от проблемы предварительного воспламенения на низких оборотах.

Такие задержки не ограничиваются спецификациями Северной Америки. Новая спецификация масел ACEA Европейской ассоциации автопроизводителей должна была быть выпущена к концу 2018 года, но была перенесена на вторую половину 2020 года, в августе объявили о пересмотре текущей спецификации, чтобы решить возникшие проблемы.

«ACEA планирует включить тесты Sequence IVB, Sequence X, Toyota Turbo, Mercedes-Benz M271Evo и Volkswagen TDI 3 в свои обновленные спецификации для ACEA 2020», — сказал Филип Рив, директор консалтинговой компании ADLU из Великобритании. «ACEA по-прежнему нацелена на обновление в четвертом квартале 2020 года. Однако отраслевые встречи приостановлены, поскольку глобальная пандемия «подорвала» бизнес. Поскольку не все разработки тестов были завершены, уложиться в сроки четвертого квартала с учетом всех обновлений представляется очень сложной задачей».

Причина каждой серьезной задержки, по итогу, кроется в разработке приемлемых тестов двигателя.

Всего один отложенный тест может «отбросить» всю категорию — чем больше новых тестов включено в спецификацию, тем больше задержки. Например, ILSAC GF-2 нуждался в новом тесте на экономию топлива, и эта спецификация была внедрена в срок. Но для ILSAC GF-3 произошла задержка примерно на два года, ввиду того, что каждое испытание было модернизировано, и промышленность перешла от этилированного на неэтилированное испытательное топливо. ILSAC GF-6 потребовалось изменить все испытания подшипников на коррозию и вязкость, кроме испытаний на устойчивость к коррозии и вязкости Sequence VIII, что привело к четырехлетней задержке.

Для многих заинтересованных сторон такие раздутые сроки совершенно неприемлемы. Для производителей комплектного оборудования категории опозданий могут замедлить внедрение усиленных средств защиты системы выбросов, улучшений экономии топлива и защиты оборудования. Так было с новыми двигателями с турбонаддувом меньшего размера, пострадавшими от повреждения LSPI (предварительное зажигание, которое происходит в бензиновых двигателях транспортных средств, когда происходит преждевременное воспламенение основного заряда топлива), так как новый тест Sequence X был отменен.

Маркетологи моторных масел не могут предсказать, как и когда ожидаемая категория повлияет на маркетинг и поставки их новых продуктов. Новая технология присадок и базовых масел может потребовать капитальных вложений, на планирование и строительство которых могут уйти годы. Никто не хочет вкладывать средства в объекты, которые могут из-за задержки в несколько лет потерять актуальность.

Роберт Стоквелл, OEM-производитель и представитель Chevron Oronite в Северной Америке, всю свою карьеру работал над разработкой двигателей для испытаний. «Есть две основные причины для испытаний двигателя», — пояснил он. «Первая – это необходимость исправить уже существующую проблему. Разработка теста «вокруг» известной проблемы и идентифицируемого операционного цикла относительно проста и часто может быть завершена за пару лет. Вторая — предотвратить ожидаемые проблемы в будущем. Это намного сложнее, потому что во время разработки тестов обнаруживаются новые вещи, которые могут стать более важными, чем предполагалось изначально. Во многих случаях промышленность разрабатывает новые тесты, имитирующие предыдущие тесты, но для более нового оборудования », — добавил он. «Это относительно простой процесс, который может быть завершен через несколько лет, если новое оборудование производит такой же механизм деградации, как и старое оборудование. Но при таком подходе могут возникнуть и возникают сложности ».

С годами аппаратное обеспечение двигателей и технологии эволюционировали, достижения в области контрольно-измерительных приборов и автоматизации затрудняют разработку тестов, которые могут правильно отличить приемлемое моторное масло от неисправного.

Гордон Фарнсворт, бывший младший инженер-исследователь Infineum USA, работал с производителями комплектного оборудования и испытаниями над разработкой тестов новых двигателей. «Двигатели стали намного умнее с тех пор, как я впервые участвовал в разработке тестов», — сказал он. «Раньше вы могли быть уверены, что тестируете масло, а не двигатель. Сегодня двигатели научились приспосабливаться к условиям вождения, поэтому первое, что вам нужно сделать, — это поработать с производителями комплектного оборудования, чтобы отключить некоторые элементы управления».

Майк Лохте, директор отдела исследований моторных масел Юго-Западного исследовательского института в Сан-Антонио, штат Техас, добавил: «ECM (модуль управления двигателем) адаптирует рабочие параметры двигателя, такие как синхронизация зажигания, время и продолжительность впрыска топлива, рециркуляция выхлопных газов и другие параметры для оптимизации эффективности и минимизации выбросов. Что касается тестирования горюче-смазочных материалов, мы хотим, чтобы следующий тест выглядел точно так же, как предыдущий, поэтому OEM, спонсирующий тест, обычно блокирует часть адаптации ECM. Были также разработаны испытания с фиксированными приводами клапанов для замены регулируемых приводов клапанов, управляемых с помощью ECM. Вся эта работа требует времени и координации между несколькими группами».

Анджела Уиллис из Willis Advanced Consulting, ранее работавшая в General Motors, добавила, что программное обеспечение ECM может мешать работе динамометров двигателя. «Иногда фактическую калибровку двигателя необходимо изменить для самого теста», — добавила она. Вся эта работа дорогостоящая для OEM-производителей.

Иногда смена оборудования двигателя может замедлить работу. Например, испытание на износ кулачка Sequence IVA было проведено на двигателе Nissan KA24E с системой подшипников толкателя кулачка скользящей конструкции. Sequence IVB работает на двигателе Toyota 2NR-FE с роликовым толкателем. Конструкция роликового толкателя настолько снизила износ, что стало трудно тестировать масла на защиту от износа. В результате, последовательность IVB была последним завершенным тестом ILSAC GF-6 с длительной задержкой.

«Степень износа кулачка была настолько мала, что отраслевой группе пришлось сосредоточиться на очень сложных измерениях износа толкателя клапана», на который давит распредвал», — сказал Лохте. «В дополнение к среднему износу впускного подъемника был добавлен максимум потерь железа в конце испытания в качестве средства обеспечения безопасности для выявления износа всего двигателя. Новые компоненты двигателя очень долговечны благодаря новейшей конструкции и усовершенствованным технологиям производства», — пояснил он. «Это значительно затрудняет проведение испытания на износ современного двигателя, поскольку большинство двигателей очень надежны, а степень износа настолько мала, что его трудно измерить».

Проблема возникает и с моторными маслами для тяжелых условий эксплуатации. «Несколько лет назад для испытания Mack T-12 была изготовлена ​​партия поршневых колец с неправильным покрытием. Детали были настолько прочными, что их нельзя было использовать для измерения износа, а партию нельзя было использовать для испытаний ASTM », — сказал Лохте.

«Современные автомобили также менее склонны к образованию шлама из-за изменений рабочих температур» — добавил Фарнсворт. «Топливо может сыграть решающую роль в образовании осадка, и смешивание правильного тестового топлива для теста Sequence V стало одной из самых серьезных проблем в отрасли».

«Но технологии также улучшают сами испытания двигателей», — сказал Фарнсворт. «Раньше лаборанты проверяли параметры вручную, может быть, раз в час. Компьютеры теперь могут отслеживать измерения каждую секунду и контролировать вещи в очень узком диапазоне для широкого диапазона смазочных материалов и классов вязкости ». Хотя это повышает точность, он отметил, что такие средства управления увеличивают стоимость и время разработки испытания двигателя.

У Стоквелла есть еще одна теория, объясняющая, почему разработка тестов двигателей в наши дни, кажется, занимает так много времени: «Исторически сложилось так, что разработчики тестов часто проводили тесты внутри компании в течение года или более, прежде чем нефтяная промышленность с ними ознакомилась. В ходе этой ранней внутренней разработки обнаруживалось и решалось множество проблем. Напротив, недавний тест Sequence IVB был разработан по большей части «на виду», и каждый увидел все проблемы еще до их исправления».

По словам Лохте, еще одним фактором является стоимость. «Каждое испытание двигателя легкового автомобиля может стоить компании, которая добровольно его проведет, десятки тысяч долларов на запчасти, рабочую силу и топливо. В случае испытания масла для дизельного двигателя стоимость каждого испытания может превышать 100 000 долларов. Трудно выделить столько денег на то, что может сработать, а может и не сработать, не говоря уже о риске того, что кто-то впоследствии может проголосовать против этой идеи.

Помимо технических проблем, обычно разные компании работают над этим одновременно в разных лабораториях, что замедляет процесс.Уиллис согласился. «Обеспечение воспроизводимости результатов в разных лабораториях при одновременном учете уникальных особенностей каждой лаборатории является сложной задачей. Одно дело — добиться правильной дифференциации или тестирования поведения на одном стенде в одной лаборатории. Но взять это и глобализировать — совсем другое дело ».

Изменились и сами масла. ILSAC GF-6 представил SAE 0W-16 как самое жидкое масло, которое должно быть включено в спецификацию, но разработчики рецептур и компании-производители присадок тестируют такие тонкие продукты, как SAE 0W-8 — класс вязкости, который уже рекомендуют некоторые японские OEM-производители.

Значительные усилия в отрасли по замене старых тестов и продвижению новых, похоже, застопорились. Хотя новые спецификации не потребуются в течение нескольких лет, некоторые ветераны отрасли обеспокоены долговечностью испытательного оборудования, которое будет использоваться не только для получения сертификатов API и ILSAC, но также для спецификаций ACEA и нового продукта с низкой вязкостью, разработанного Японской организацией по автомобильным стандартам.

Следующая категория моторных масел для тяжелых условий эксплуатации, PC-12, также может нуждаться в новых тестах. Некоторые OEM-производители прекратили производство оборудования, которое использовалось в некоторых тестах, и старые двигатели могут не соответствовать новому оборудованию.

Стоквелл призвал индустрию начать разработку тестов раньше, включая обеспечение необходимых ресурсов. «Если отрасль будет продолжать полагаться на испытания двигателей для определения характеристик моторного масла, то я предвижу, что это станет еще более трудным процессом, особенно с учетом того, что OEM-ресурсы перейдут на технологии электрификации», — сказал Уиллис.