Смесеобразовательный блог (bmwservice) wrote,
Смесеобразовательный блог
bmwservice

Избранные соображения по поводу измерения эффективности модификаторов трения, ч.1: выбор методики

Вроде и не хотелось бы придумывать ничего лишнего, а приходится... Беда состоит в том, что готового не обнаружено. Поэтому начнем с лирического отступления.

Вот смотрите: рынок моторных масел ДВС существует уже более ста лет. Количество стандартизируемых параметров для него исчисляется десятками, а производимых над маслами тестов - сотнями. Это что, в самом деле такой сложный продукт?! Стандартных бенчмарков для компьютера, пожалуй, численно поменьше будет, чем тестов для утлого "масла моторного". Более того - с маслом проводят не просто тесты для энтузиастов, а тесты на "строжайшие стандарты" - ты попробуй не пройди какой-нибудь "API Sequince ABCD".

Но в том-то и дело: все идут и успешно проходят (это или так просто, или все действительно такие "качественные").

Ну или же вы припомните какие-то случаи, типа "Компания "ExxonMobil отзывает масла"?! Или "...провалила тестирование партии масел"? Идут, повторюсь, и успешно проходят. То есть, уже на этапе "проектирования" ясно, что масло "получилось". Это вам не краштесты автомобилей с 3-4-5 звездами - тут все четко, как в аптеке: всем изначально ясно, что "пройдут" и получат "одобрение". Потому как все "требования" программируются на этапе производства и созданы фактически на основе требований к исходному качеству сырья.

Кстати, проходят эти самые современные тесты на более чем древних двигателях: если вообще на двигателях, то уж точно - на очень древних. API это вообще-то Американский институт нефти. До момента нефтяного кризиса это была крупнейшая автомобилестроительная держава, а тогдашняя стоимость топлива никакого технологического развития двигателей вовсе не стимулировала. Хотите мощнее двигатель - так дайте литража побольше. Точка. Весь прогресс.

Вы вообще давно видели настоящий американский двигатель (не заимствование из Европы)? Вот если даже очень давно, то сейчас там ровным счетом почти ничего нового - все технологии вполне соответствуют уровню годов, пожалуй, 40-х. Там и проблем-то особых нет, потому что сложность, в общем-то, прежняя, а технологии давно отлажены.
Ну так и что же может "изобрести" Американский институт нефти для европейских двигателей?

Европа еще в конце 80-х массово начала использовать в двигателях Alusil (Silumal), чуть позже - Nikasil (GalNikal), сейчас уже ЭДМ (третье пришествие чугуна - уже были: блок, гильзы, а теперь и металлическое напыление). Три совершенно разных технологии сменилось! За три десятилетия - три технологии!

Подскажите теперь, а что именно менялось в маслах за эти три десятилетия, чтобы в полной, так сказать, мере, соответствовать этим реальным изменениям в парах трения? Что по этому поводу изобрел Институт нефти США? А что хотя бы пытался? А кто доказал, что никакой разницы и пытаться бы не стоило?

Я вот, например, смеюсь, когда мне предлагают подобрать масло под "узкие масляные каналы азиатских моторов", но мне совсем не смешно, когда я полностью дезориентирован в выборе масел под самую важную пару трения в двигателе - трение в цилиндро-поршневой группе. Нету масел ни под Alusil, ни под Galnikal. Ну а исследования есть?!

Хоть какие-то? А поводы для исследований?

В 1995 страховые компании США буквально вынесли технологию Nikasil за скобки - помножили ее на ноль. Типа бензин был плох (серы много), значит он и был причиной того, что Nikasil начал отслаиваться (покрытие опадало кусочками). Ну а докажите-ка, что это не масло виновато? Ну просто так вот, для примера - пусть институт нефти и топлива исследует эту проблему и выдаст нам отчет. Он на то и институт нефти - читай что "топлива и масла". Проблема возникла именно в США - кому бы еще этим заниматься?!

А вот Alusil продержался на конвейере в массовых изделиях с 1995 по, примерно, 2015 год. Двадцать лет против никасиловых двух. Больше того - выпуск продолжается. Но "корябанных блоков" с алюсилом - тьма тьмущая. Возможно, есть поправка на специфику деградации - это больше похоже на зацарапывание, чем на отшелушивание и сколы. Формально - дырки (скола) в покрытии чаще всего нет, вот только последствия вполне аналогичными быть могут, ничем не лучше:


А вот в смысле отклика по индустрии отличие наблюдаем кардинальное - никаких скандальных отзывных кампаний - производители теперь просто молча меняют "гарантийные" блоки. Негарантийные владельцы гильзуют их "под чугун". Все довольны. А знаете, что именно может легко "закорябать" такое покрытие, кроме очевидного перегрева мотора или детонации?! Правильно - твердая зола, сформированная из присадок и неизбежных продуктов окисления и нитрования, которые очень плохо растворяются в современном синтетическом моторном масле. У Американского института нефти два варианта: доказать, что это не так и(или) опубликовать истинную причину и рекомендации, чтобы такого не было.

Вы сейчас вынуждены согласиться, что ничего подобного за 20 лет не произошло. Тогда вопрос: чем именно занимается этот API и почему же мне необходимо интересоваться его допусками и методиками? А есть ли, кстати, в любом испытательном цикле API алюсиловые блоки? Я, конечно, 100% не могу вам сейчас гарантировать, но что-то мне подсказывает, что нет, не было и не будет.

А теперь еще напомню, что примерно лет пять назад в двигателестроение окончательно вошла турбина: атмосферных двигателей у многих производителей больше не будет. Где бы посмотреть хотя бы на один единственный реальный тест из программы API для реальных трубированных двигателей? Какой турбированный двигатель установлен и испытан совместно с разными маслами в Американском институте нефти?! Я даже напомню, что по этому поводу говорят профессионалы масляных дел - в 2014 году выяснилось, что таких методик вообще не существует. Я я напомню, что массовое турбирование эпизодически в автомобилестроении уже возникало, например - SAAB. И масла тогда были минеральные и проблем с турбинами (по причине масел) особых не было. А сейчас же, смотрите что масляный профессионал на фото показывает, загадочные такие твердые кусочки:


Беда в том, что таких кусочков полно и на "обычных" атмосферных моторах, а раз масляный гуру утверждает, что причина - масло, то и здесь причина совершенно аналогична:


В обычном моторном масле едва ли больше трех компонентов - базовая основа, присадки (по три базовых элемента) и полимер. Все производится по одним и тем же технологиям по всему миру. Поставщиков сырья - единицы. Поставщиков присадок - столько же. Все это почему-то не меняется десятилетиями. Тестов же почему-то накопилось великие сотни и все больше и больше, строже и строже, "качественнее и качественее".

Хорошо, я хочу знать, а какое масло лучше смазывает?! Дайте два. Теста. Лучше смазывает - ниже трение. Ниже трение - лучше едет, меньше кушает. Возражения?

Есть ли у нас методика, из которой прямо следует лучшесть? Достаточно даже одной. Но из всех стандартных методик, как мне подсказывают, следует достаточность, а не лучшесть. Вывод: все масла одинаковы. Или одинаково достаточны. С другой стороны - мало какой современный двигатель пройдет 100.000 км без поломок и будет идеально чистым внутри (что, кстати, не просто эстетический показатель, а гарантия, что он пройдет еще 100 тысяч, а затем и еще 100 тысяч).

Все масла вроде бы одинаково качественные, но все действительно современные двигатели больше 100.000 в городе в нормальном состоянии не выхаживают.

Теперь неутешительный вывод из всего сказанного: в обозримом будущем не стоит ожидать и искать никаких методик по "лучшести масел". Это никому из стандартизирующих организаций просто не нужно. Никогда методика по созданию стандарта не ориентирована на создание невынужденной прямой конкуренции. Никогда стандартные масла не будут конкурировать никакими параметрами в пределах своего стандарта. Никакие методики никогда не покажут вам никаких "преимуществ" среди реально существующих масел. А уж тем более - для новых перспективных образцов, если они вдруг в чем-то превышают требования стандарта. Замкнутый круг - или лучших делать стандартными, или "не показывать" лучших среди стандартных. Такие масла пожизненно будут иметь на канистрах надписи только "соответствует" и "превышает". В чем превышает? В чем-то превышает: так как измерить нечем.



Теперь поговорим про методики другие - исследовательские, которые вроде бы существуют, но обязательными не являются.

Все исследовательские методики по измерению внутренних механических потерь очевидны: нужно численно вытаскивать "потери" (или преимущества) с двигателя, прямым или косвенным способом. И тут все становится очень непросто.

Начнем с очевидных и вроде бы правильных, но очень дорогих: полноценный моторный (или автомобильный) стенд - это управляемый контроллером электродвигатель и сам двигатель. В самом простом случае, это только лишь "тормозная муфта" на маховике, которая принимает крутящий момент от двигателя. Стоимость такого нагромождения - 10-30 тысяч долларов.


Я вижу здесь сплошные недостатки: дорого, громоздко и, главное, не совсем понятно, как и что вы собрались измерять, если речь идет про измерение снижения внутреннего трения, а не о измерении внешней скоростной характеристики. Все подобные стенды имеют софт для номинального контроля характеристики мощности/момента, для чего в общем-то и предназначены. Все это является внешней и не является переходной (учитывающей фактор времени) характеристикой.

Чтобы понять разницу, попробуйте рыками растолкать автомобиль до скорости пешехода - сначала тяжело, а после вполне сносно катится и усилий много уже не нужно. А теперь попробуйте сделать это быстрее - сначала рывком, а затем - и с разбега, стукнувшись о бампер. Полученная организмом травма разница в нагрузке - это именно то, что и хотелось бы измерить.

Мне неизвестны стенды, которые способны достоверно измерять переходные характеристики, а также методики подобных измерений, при всей их умозрительной очевидности. Как бы то ни было, даже если когда-то такое появится, то все полученные данные останутся неким "лабораторным общим", в то время как все хотели бы видеть "практическое частное". Все хотят просто и наглядно, а не условных попугаев в лаборатории.

Кроме того, значительная часть модификаторов трения (включая и присутствующую в масле ZDDP!) просто так с металла не выводятся, что вообще-то говоря, ставит под вопрос все последующие сравнительные испытания, или делает их еще более затратными - сколько новых, не видевших масла двигателей у вас в запасе?! Как отскрести от них какой-нибудь модификатор с мягкими металлами?! Готовы ли вы "выбросить" (как минимум, из рассмотрения) двигатель после одного единственного испытания?!

Еще аргумент - все "холодные" испытания, проводимые вообще без вспышек в цилиндрах, не учитывают газодинамику реального двигателя. Все же это совсем другие давления, в т.ч. и на поршевые кольца, например. Нагрузка на шатунные шейки, кстати, тоже значительно больше. Я не говорю, что такие испытания прямо вообще ничего не отражают, но как минимум, хотелось бы и чего-то дополняющего.

Еще момент - все тот же пресловутый "переходной режим". Можно сколько угодно вращать двигатель в установившемся режиме - это как катить руками уже движущийся автомобиль по ровной поверхности. Энергии нужно значительно меньше, чем для разгона. Следовательно, зависимость ожидается квадратичная - разгонять-то заметно сложнее! Хорошо бы на подобном стенде оценивать "переходные режимы" с торможением маховика, типа "разгона в натяг", делая это в автоматизированном режиме. Хочу теперь подвести черту под этим способом:

"За": ожидаемая достоверность и правдоподобие в некоторых возможных(!) режимах.
"Против":очень дорого, сложно, недоступно почти никому, никогда не будет реализовано для масс, даже как платная услуга.

Самое время ответить на дополнительный вопрос: скажите без общих рассуждений, что мешает поставить исправное авто на скоростной стенд, дать полную нагрузку и измерить мощность и момент, пускай даже без переходных режимов - разница должна быть - там же есть нагрузка и трение.

Отвечу просто: ставил, проверял. Разница составляет примерно 1,5% в единственном достоверном режиме - режиме максимальной мощности и момента, когда силы трения самые "неинтересные" для эксперимента - их значение относительно максимальной мощности предельно мало и режим трения - установившийся.

Почему хотелось бы(!) измерять исключительно переходные режимы, можно почувствовать лично на себе: проведите пальцем по твердому ковровому покрытию сначала медленно, а после - с резким ускорением. Полученный термический ожог хорошо иллюстрирует разницу от сил трения при прямолинейном движении без ускорения и в переходном режиме.

Теперь практика, рассмотрим наиболее очевидный опыт: имитация "моторного стенда" подручными средствами.

Для этого нам потребуется двигатель с прямым доступом к коленвалу, такой например, как УЗАМ, который является мощностным аналогом для многих сравнительно современных малолитражных моторов - от BMW M10, до двигателей ВАЗ 2101/2108.



Особо благодарю всех читателей блога, кто принял непосредственное участие в эксперименте: за подходящий раритетный автомобиль, целый арсенал электроинструмента, а также компанию, безвозмездно предоставившую требуемые переходники для подбора на месте.

Выводы, которые удалось получить экспериментальным путем:


Потребление выбранного электропривода остается практически одинаковым в пределах погрешности избранной методики измерений. Заметная разница наблюдается только при густом масле (20 градусов Цельсия), вязкость которого в абсолютных значениях почти что в 10 раз (240 против 20 сСт) превышает рабочую. Двигатель в таком случае вращается неохотно, дрель быстро перегревается.

Реальная же разница наблюдается в давлении масла (оно зависит от фактически достигнутых оборотов двигателя - масляный насос привязан к оборотам коленвала):


В целом, мне не особо нравится результат: контроль формальных параметров затруднен, даже несмотря на возможность использовать электронный стробоскоп/цифровой манометр - данные показатели все равно являются лишь косвенными, полученными при зримом непостоянстве потребления электродвигателя. Каждая новая "прокрутка" также влияет на получаемый результат. В итоге, я считаю, что суммарная погрешность хотя и позволит выявить разницу, но сделает это лишь в общих чертах, в первом приближении.

Выводы по "моторному" методу: в общем-то показательно, правдоподобно, но косвенно, трудоемко и неудобно. Не отображает реальной разницы в переходных режимах.

Плюсы: позволяет оценить потери в абсолютных единицах мощности в установившемся режиме, позволяет увидеть разницу при корректном выборе измеряемых величин, но фактически условных "в попугаях".

Способ номер два, где внешний электромотор заменяем стартером двигателя и надеемся, что он будет меньше потреблять и (или) выше раскручивать.

Ситуация, в целом, схожая:


Очевидные недостатки: малая избирательность по оборотам обусловлена выбранным для запуска двигателя передаточным числом стартера. Это мощный моментный, а не высокооборотистый привод. В значительном количестве случаев, эта методика может вообще не показать никакой разницы - номинал оборотов задан механически и жестко.

Развитие идеи - взгляд со стороны - анализ тока потребления стартера без компрессии в цилиндрах. Наглядность выше, при сохранении части недостатков, которые хорошо видны на видео:

Холодный двигатель, около 64 А

Прогретый двигатель, около 45 А

После модификатора, около 42 А


Теперь нам потребуется учесть две величины ток холостого хода и рабочее напряжение. Это около 30А и 12,1 В.
Реальное снижение потребления составляет величину в пределах 1-3 А, что соответствует мощности 12-36 Вт.


В целом, недостатки этого метода аналогичны вышерассмотренным - реальное ожидаемое снижение величин сравнительно невелико и граничит с методологической погрешностью.
Метод не видит "переходных" режимов, использует "нештатные" обороты и минимально приемлемое давление масла - все это непросто прямо привязать к конкретным цифрам, чтобы с полной уверенностью выявить качественную относительную разницу между препаратами с достаточно показательными значениями. Раз так, то должны бы существовать и более простые способы сказать эффективности "да" или "нет", если речь идет про установившийся режим работы мотора.

Кстати, переходной режим возможно исследовать при помощи альтернативного способа, когда двигатель с отключенным бензонасосом заводится на остатках топлива в топливной рампе: после выработки топлива, существует буквально 5-6 попыток длительностью 10-15 секунд, в течение которых удается получить вспышки в цилиндрах: мотор пытается завестись буквально на парах топлива. Как раз такой режим неплохо отображает снижение трения в переходном режиме "ускорения":


На графике две попытки вращения стартером - когда топлива еще относительно много (слева) и когда "паров" становится меньше (справа). Во всех случаях, модификатор имеет некоторое и определенно нелинейное преимущество - короткие острые пики - попытки разгона ДВС на микропорциях топлива. Способ является неплохим индикатором, но также имеет целый ряд практических очевидных недостатков, кроме того, дальнейшее добавление модификатора трения уже затрудняет даже визуальное сравнение:


Хотелось бы закончить эту часть на том очевидном соображении, что для системы критериального сравнения типа "работает"/"не работает", безусловно требуется максимально простая методика с достоверным и автоматизированным считыванием результата. Не хотелось бы контролировать и систематизировать бесчисленные параметры и вносить поправки - нам нужно просто и наглядно. Возможно ли это?

Разумеется...

P.S.Редактура, пояснения, уточнения - завтра.
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 67 comments
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →