Запас щелочного числа TBN

Первенство в изобретении двигателя внутреннего сгорания с воспламенением топливно-воздушной смеси от сжатия общепризнано отдают инженеру-изобретателю Рудольфу Дизелю. Увы, это распространенное упрощение, ведь как в природе, так и техногенной сфере что-либо новое не появляется вдруг. Все изобретения являются эволюционным продуктом научно-технического прогресса. Но поскольку такие значимые события, как изобретения, олицетворяют вклад страны и народа в культурную сокровищницу человечества, борьба за признание лидерства неизбежна.

Кстати, упрощение заключается в том, что Рудольф Кристиан Карл Дизель, будучи не только талантливым, но весьма тщеславным и не менее предприимчивым человеком, ранее других инженеров, работающих над созданием нового двигателя, получил патент на свою разработку. Патент под названием «Метод и аппарат для преобразования высокой температуры в работу» зарегистрирован 28 февраля 1892 года. Однако современный «дизельный» двигатель напоминает аппарат Рудольфа Дизеля лишь отдалённо и объединяет их только идея воспламенения топливно-воздушной смеси от сжатия.

Двигатель, который мы привыкли называть «дизельным двигателем» или просто «дизелем» это результат длительной научной и экспериментальной работы многих инженеров, но современная версия этой машины обязана российскому-советскому ученому, инженеру и изобретателю Густаву Васильевичу Тринклеру (1876-1957). Свой бескомпрессорный дизельный двигатель 22 летний инженер Путиловского завода в Санкт-Петербурге построил в 1898 году, положив в основу усовершенствованный термодинамический цикл, объединяющий в себе циклы Отто и Дизеля. Инженеры-теплотехники и конструкторы-моторостроители цикл дизельного двигателя смешанного сгорания так и называют – цикл Тринклера.

Цикл Тринклера. Диаграмма

Увы, Густав Васильевич так и не запатентовал свой «бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления», проект которого он завершил на V курсе Санкт-Петербургского технологического института в 1898 году. В связи с этим обстоятельством, например, в Германии и Голландии термодинамический цикл двигателя со смешанным сгоранием называют «Seiliger cycle», а в Италии «Sabathe cycle». Встречается также название “цикл Сабате-Тринклера».

Сегодня трудно представить области промышленности и, особенно, транспорта, где бы не использовались дизельные двигатели. Высокий КПД этой тепловой машины, значение которого у современных её образцов достигает 50%, обусловил практически безальтернативное применение дизеля в транспорте, уступая лишь атомному реактору в морском применении. Дизельным двигателем сегодня вооружены даже легковые автомобили!

В настоящем эссе касаться темы легкового дизельного автомобиля мы не будем, так как по иррациональности суждений эта сфера скорее ближе к религиозной, но о коммерческом использовании достоинств дизельного двигателя поговорим подробно.

Итак, в основе эффективности дизельного двигателя лежит его высокий термический коэффициент полезного действия. И хотя механический КПД дизеля ниже, чем у его бензинового собрата, высокая тепловая эффективность перекрывает все механические потери энергии, обусловленные особенностями кривошипно-шатунного механизма и топливной аппаратуры. Но в наибольшей степени высокая эффективность дизеля раскрывается при интенсивном коммерческом использовании, которое позволяет компенсировать все экономические издержки, связанные с более высокой ценой дизельной техники и более высокими эксплуатационными расходами.

Кстати, очень низкая интенсивность эксплуатации легкового автомобиля в качестве личного транспортного средства и объясняет, почему легкомоторное применение дизеля не оправдано с точки зрения семейного бюджета. Техническое совершенствование легкового дизеля за счет сложнейших систем питания, наддува и систем очистки выхлопных газов приводит ко всё большему удорожанию техники при совершенно ничтожном улучшении потребительских характеристик. В результате общие эксплуатационные расходы покрываются топливной экономией в среднем только через 5-10 лет «бытового» использования дизельного легкового автомобиля.

Высокая эффективность коммерческой дизельной техники, помимо топливной экономичности, определяется также весьма значительным ресурсом дизеля. Пробег в 1 000 000 километров до капитального ремонта двигателя считается нормой. Однако такой ресурс двигателя возможен только благодаря правильной технической эксплуатации, важнейшим аспектом которой является использование высокоэффективных эксплуатационных жидкостей. Важнейшей из них, напрямую влияющей на долговечность механизмов двигателя, выступает моторное масло.

В прошлом обзоре российского рынка моторных масел коммерческого сегмента (CVL) мы уже определили статус моторного масла как рабочей жидкости по обеспечению «жизнедеятельности» двигателя внутреннего сгорания и рассмотрели проблему угара масла. Сегодня мы поговорим о таком важнейшем свойстве масел для смазки дизельного двигателя, как запас щелочного числа (TBN).

Запас щелочного числа TBN

Запас щелочного числа моторного масла для дизельных двигателей означает присутствие в масле специальных присадок со щелочными свойствами, которые призваны нейтрализовать кислотные соединения, образующиеся при сгорании топлива. И если в бензиновых двигателях это качество неактуально, то в дизельных оно жизненно важно.

Всё дело в том, что в качестве дизельного топлива используются маловязкие нефтяные фракции с высоким содержанием соединений серы. При сгорании высокосернистого топлива выделяется оксид серы (IV) – SO2 и оксид серы (VI) – SO3, образующие при соединении с влагой сернистую H2SO3 и серную H2SO4 кислоты, которые с картерными газами попадают в моторное масло, растворяясь в нем. Вследствие еще одной особенности дизельного двигателя – высокой температуры и высокого давления при горении топливной смеси, в продуктах сгорания содержатся оксиды азота NO и NO2, образующие с влагой азотистую HNO2 и азотную HNO3 кислоты. Все эти кислоты и, особенно, серная и азотная являются чрезвычайно агрессивными по отношению к деталям двигателя из цветных сплавов и к моторному маслу химическими веществами.

Влияние щелочного числа на износ поршневых колец двигателя

Во всём мире и особенно в странах Европы ведется поэтапное ужесточение требований к содержанию серы в дизельном топливе. В России с небольшим отставанием идет аналогичная работа. Отставание в данном случае обусловлено изначально высоким содержанием соединений серы в западносибирской нефти, а также необходимостью модернизации производственных мощностей по получению топлив и совершенствования торговой инфраструктуры.

В настоящее время требования к качеству дизельных топлив регламентируются ГОСТ Р 52368-2005, закрепляющем для всех произведенных в России автомобилей норму EURO-3. Содержание серы в топливе EURO-3 ограничено на уровне не более 0,035%. Для всех ввезенных в Россию импортных автомобилей действует норма EURO-5, ограничивающая содержание серы – не более 0,001%. Правда это означает, что в автомобилях EURO-5 может использоваться только топливо, также соответствующее норме EURO-5. Увы, автотранспортные предприятия, эксплуатирующие такие автомобили, редко придерживаются этого условия.

В любом случае, наша задача заключается в том, чтобы за счет правильного выбора моторного масла сполна реализовать ресурс дизельного двигателя, а также обеспечить максимальный срок службы самого масла. Для этого и предназначены щелочные присадки. Эффективность щелочных присадок и соответствующий срок службы моторного масла в дизельном двигателе определяются так называемым запасом щелочного числа TBN (Total Base Number) и выражаются в миллиграммах гидроксида калия на 1 грамм масла (мг КОН/г).

Итак, запас щелочного числа характеризует способность моторного масла противостоять окислительным процессам и пропорционален количеству кислот, которые может нейтрализовать данное масло.

Чем выше TBN, тем лучше защитные свойства масла и больше его ресурс при использовании высокосернистых топлив. Для обеспечения щелочного числа используются как современные присадки на основе кальция, так и более ранние магниевые. Эффективность их различна и определяется способностью к нейтрализации не только кислотных соединений серы, но азотной кислоты.

Падение щелочного числа (TBN) при работе двигателя в разных режимах

Рассмотрим несколько примеров моторных масел для дизельных двигателей с точки зрения их нейтрализующей способности при работе двигателя на высокосернистом топливе. Вот уже знакомые нам продукты:

Моторные масла в таблице расположены в порядке убывания TBN.

ShellRimulaR5 M 10W-40 иKatanaMakuriE7 10W-40 демонстрируют наибольший запас щелочного числа. Обращает на себя внимание современная присадка на основе кальция в масле KatanaMakuriE7 10W-40. Данные продукты наилучшим образом приспособлены для эксплуатации на российских высокосернистых дизельных топливах Euro-3.

GaspromneftDieselPremium 10W-40 и ShellRimulaR5 E 10W-40 – содержат современные кальциевые щелочные присадки, но TBN на 30% ниже относительно первых двух продуктов. Данный запас щелочного числа соответствует использованию низкосернистых топлив уровня Euro-5.

Современным продуктом также является масло TotalRubiaPolytrafic 10W-40, однако TBN довольно низок в случае использования сернистых топлив уровня Euro-3. Расчетный ресурс этого масла можно реализовать только при использовании топлив, соответствующих норме Euro-5. При эксплуатации техники на топливах уровня Euro-3 интервал замены масла следует сократить примерно на 40%.

Прочие продукты имеют довольно низкий TBN и устаревший пакет присадок, что предполагает сокращение интервала замены масла соответственно запасу щелочного числа.

В завершение необходимо подчеркнуть, что использование моторных масел с запасом щелочного числа (TBN) менее 11 мг КОН/г в случае эксплуатации дизельной техники на топливах с содержанием серы до 0,035% возможно, но в этом случае межсменный период должен быть сокращен. Реальный срок замены масла может быть установлен по результатам анализа проб эксплуатационного моторного масла.

Критическое значение TBN, при котором масло подлежит замене, составляет 4 мг КОН/г.

На этом обзор завершаем и предлагаем продолжить рассмотрение ключевых характеристик моторных масел в следующих выпусках нашего блога.