В статье "В дебрях трибологии" ("5 колесо" № 12, 2001) были представлены результаты независимой экспертизы антифрикционных противоизносных препаратов - материалов автохимии, наиболее загадочных для большинства автолюбителей. Задача экспертизы была проста: разобраться, что же это такое - действительно новая технология, существенно продлевающая срок службы автомобиля, или очередное "шаманство" для выкачивания денег под обещания чудес.

Однако методика проведения экспертизы, построенной на базе испытаний типовых образцов деталей на машине трения с использование масел, в которые добавлялись исследуемые препараты, вызвала нарекания некоторых специалистов. Действительно, при подобных испытаниях невозможно воссоздать реальные условия работы присадок в двигателе, следовательно, полученные результаты не вполне корректны.

Кроме того, сравнительные таблицы результатов испытаний не содержали каких-либо понятных простому автолюбителю параметров. В самом деле, всех интересует реальный прирост мощности, снижение расхода топлива, масла и токсичности, повышение ресурса и надежности, но как это связать с замеренными на машинах трения усилиями задира, коэффициентами износа или усилиями схватывания, не очень понятно. Об этом, в частности, говорили и мы сами и дискуссии по опубликованным результатам, развернутой на страницах журнала.

Тогда же мы выступили инициаторами продолжения экспертизы, но уже по методике, позволяющей определить реальное влияние антифрикционных противоизносных препаратов на основные параметры двигателя - мощность, расход топлива, скорость износа и т. д. Принцип проведения экспертизы очевиден: двигатель - не человек, его не обманешь рекламными обещаниями. Эффект либо будет, либо нет.

Работы по организации экспертизы, согласование методики и сами испытания заняли более полутора лет. Дело в том, что, во-первых, в настоящее время нет общепринятой методики либо действующего ГОСТа на подобные испытания (речь идет о стендовых ускоренных трибологических натурных испытаниях двигателей). Методику предстояло разработать, обосновать и проверить. Во-вторых, сами испытания требовали значительных финансовых расходов. Вед речь идет о более чем 100-часовом цикле моторных испытаний на сложном, дорогостоящем оборудовании.

Приглашение на участие в экспертизе было разослано более чем в 15 фирм, занимающихся производством и реализацией антифрикционных и противоизносных препаратов. История переговоров с этими фирмами - материал отдельной статьи, достаточно показательный в плане квалификации, серьезности и ответственности изготовителя за свою продукцию. Возможно, в следующих номера журнала мы дадим выдержки из этой переписки, а выводы читатель сделает сам.

В итоге сформировался круг участников первой серии испытаний, состоящий из четырех фирм. Получилось очень удачно, поскольку все они представляют продукты, относящиеся к разным группам антифрикционных препаратов и отличающиеся механизмом воздействия на двигатель. Это позволило провести серьезное исследование реакции двигателя на принципиально разные методы снижения потерь трения и скорости износа и в то же время оставило возможность для дальнейшего сопоставления потребительских качеств препаратов каждой группы между собой.

Перечислим участников испытаний.

Фирма "Энион-Балтика" предоставила трибологический состав "Ниод-5", реализующий технологию геомодифицировния поверхностей трения двигателя. Отметим, что данный препарат не поступает в свободную продажу. Обработку автомобилей проводят специалисты фирмы на уполномоченных СТО.

Второй участник - фирма "И.К.С.", предложившая швейцарский препарат "Автоплюс-2025", реализующий технологию металлоплакитирования поверхностей трения.

На наше предложение откликнулась и фирма "Энергия-3000", предоставившая французский препарат "E3000", который реализует современную технологию мателлоорганического плакирования поверхностей трения двигателя.

Четвертый участник - "Лаборатория триботехнологий", разработчик кондиционера металлов "Феном".

Мы благодарны руководству фирм за мужество. Ведь условие ставилось жестко: никакой "корректировки" результатов не будет.

Главный критерий корректности результатов экспертизы - ее методика. Как было сказано, ГОСТа на подобные испытания не существует, поэтому была разработана специальная методика ускоренных испытаний.

Понятно, что рядового автолюбителя в первую очередь интересуют два вопроса: что он получит, если применит тот или иной препарат, и какой ценой (имеется в виду не только стоимость покупки, но и отдаленные последствия для двигателя). На эти вопросы мы и хотели ответить.

Выполнить такую задачу можно. Только обрабатывая натурный двигатель. Никакие модели не в состоянии отразить весь комплекс эффектов и последствий обработки. Кроме того, двигатели в ходе сравнительных испытаний должны быть в примерно одинаковом исходном состоянии и эксплуатироваться по четко заданной программе с соблюдением режимов нагружения и времени работы. Необходимо учесть и влияние окружающей среды: один и тот же двигатель в жаркий солнечный день работает иначе, чем в пасмурную погоду. Следовательно, испытания могут быть только стендовыми, на которых мотор снимается с автомобиля и устанавливается на специальное нагрузочное устройство, выполняющее функции поглощения мощности двигателя в любом режиме его работы.

В процессе испытаний необходимо замерять те параметры, влияние на которые заявлено в рекламных проспектах производителей продуктов автохимии: мощность двигателя, расход топлива, токсичность отработавших газов, компрессии, расход масла на угар. Кроме того, желательно иметь картину изменения контрольных параметров двигателя - температуры в системе охлаждения, давления масла и т.д.

Сложнее с ресурсом. Ведь даже простенький вазовский двигатель имеет срок службы до капитального ремонта порядка 150 тыс. км, что эквивалентно 3,5 - 4 тыс. моточасов по универсальному циклу эксплуатации. А производители присадок говорят о торможении скорости износа в 2-5 раз. Что же, гонять двигатель на стенде 15 тысяч часов, то есть около двух лет? Не годится!

С другой стороны, очевидно, что износ - штука хитрая, и не во всех режимах его интенсивность одинакова. Ведь часть двигателей отправляются на "капиталку" уже через 60 - 80 тыс. км, в то же время ходят легенды о вазовских моторах, прошедших без ремонта 300 - 400 тыс. км, - все зависит от хозяина и условий эксплуатации автомобиля. Износ максимален в пусковых режимах, когда подачи масла к узлам трения еще нет; но не станешь же в процессе испытаний сливать масло из двигателя - куда тогда присадку добавлять… Другая зона, в которой износ максимален, - так называемые "буксировочные" режимы с малой частотой вращения коленчатого вала и максимальной нагрузкой на двигатель. Нам знаком один уникум, отправивший свой ВАЗ-2106 на капитальный ремонт, когда на одометре было всего 15 тысяч: товарищ "халтурил" в садоводствах, корчуя пни и используя бедный автомобиль в роли трактора.

Конечно, пней в лаборатории нет, но смоделировать аналогичный режим работы двигателя мы можем. Отсюда и основная идея ускоренного цикла ресурсных трибологических испытаний, которая заключается в обеспечении в режимах с малой частотой вращения и большой нагрузкой. Представьте себе "Жигули", идущие 25 часов с полной загрузкой и тяжелым прицепом в гору. Аналогичный цикл мы и реализовали. Путем соответствующих расчетов и последующих экспериментов для двигателя ВАЗ-2108 мы остановились на режиме с частотой вращения коленчатого вала 1500 мин -1 и 80-процентной нагрузкой на двигатель.

Степень торможения процессов износа проверяли по комплексу интегральных показателей - содержанию и скорости накоплении продуктов износа в пробах масла, взятых на разных стадиях испытаний. Метод, конечно, не очень точный, но дает наглядную картину влияния препарата на сопряжения трения двигателя. Кроме того, в подобной ситуации не обязательно доводить узлы трения двигателя до степени катастрофического износа, ведь накопление металлов в масле происходит постепенно. Изменение содержания металлов за заданный промежуток времени при фиксированных режимах нагружения как раз и определяет скорость износа. Определение этих показателей производилось на основании данных спектрального анализа.

Все исследуемые препараты заявлялись как антифрикционные, то есть снижающие механические потери в двигателе. Это тоже следовало проверить. Косвенным свидетельством уменьшения сил трения является рост мощности двигателя. Но надо бы замерить непосредственно сам момент сил трения в двигателе: эта информация является уже окончательной и неоспоримой.

Стендовые испытания давали такую возможность. Само нагрузочное устройство представляет собой обратимый мотор-генератор, который может как воспринимать мощность двигателя, так и крутить его. Мощность, требуемая для раскрутки неработающего мотора до заданной частоты вращения, и есть мощность механических потерь. Разумеется, испытания проводились после прогрева двигателя до рабочей температуры.

Принцип ускоренных трибологических испытаний достаточно прост. Все двигатели для выравнивания начальных условий подвергались капитальному ремонту с расточкой цилиндров, шлифовкой коленчатых валов, заменой поршневых групп, вкладышей подшипников и т.д. Далее двигатели обкатывались по одной программе: соблюдалось равенство времени и цикличность режимов нагружения. Затем снималась базовая характеристика износа двигателя, с которой сопоставлялись результаты после обработки тестируемым препаратом. Двигатель работал 25 моточасов в тяжелых режимах нагружения. По окончании цикла снимались параметры мотора при его работе по внешней скоростной (с полным дросселем) и нагрузочных (с разной нагрузкой при фиксированной частоте вращения) характеристиках. Все это давало базовый уровень для дальнейшего сопоставления.

Двигатель обрабатывался препаратом строго по инструкции фирмы. Затем все повторялось, снова 25 моточасов по программе ускоренных испытаний, но при этом контрольные параметры двигателя замерялись через каждые 2 - 3 часа, чтобы выявить динамику работы препарата. В ходе испытаний брались пробы масла для спектрального анализа. По окончании цикла - снова замер характеристик.

После этого масло с присадкой сливалось, двигатель промывался и заливалось свежее масло. И еще 25 моточасов испытаний - уже для того, чтобы определить последействие присадки. Далее двигатель разбирался, обмерялся, изучались детали трения и делались выводы о его техническом состоянии после обработки.

Естественно, после каждой серии испытаний замерялась компрессия по всем цилиндрам. Кроме того, пробы масла отдавались на химический анализ, ведь испытывались присадки в масло, и было необходимо выяснить, как они влияют на его свойства. Замерялись вязкость при 40 и 100 0С, а также общее щелочное число - важный показатель моющих свойств и темпа старения масла.

Все испытания проводились с использованием одного и того же моторного масла - Shell X100 10W30. Для всех испытаний масло закупили одновременно, из одной партии. Топливо тоже использовали одной марки - голубой бензин "Лукойл А-92", покупаемый на одной и той же АЗС. Периодически производили контроль бензина на величину октанового числа. Разброс по всем закупленным партиям лежал в пределах погрешности измерения.

Испытания проводились в лаборатории кафедры ДВС Санкт-Петербургского политехнического университета, где работают авторы статьи.

Результаты испытаний, на наш взгляд, крайне интересны. Насколько нам известно, пока еще никто и нигде не проводил подобных сопоставлений. Поэтому полученная информация эксклюзивна (не сочтите за хвастовство).

Максимальный объем информации дало изучение динамики работы препаратов, то есть изменение параметров двигателя в процессе его приработки с препаратами.

Начнем с гемодификатора "Ниод-5". Обработку двигателя проверяли сами сотрудники фирмы "Энион-Балтика". Выглядело это довольно забавно. Порошок из фирменного пакета, чем-то похожий на цемент, долгое время размешивали в 100 мл масла. Часть смеси ввели шприцем через свечные отверстия прямо в цилиндры. Затем испытуемый двигатель полчаса крутили стендом с отключенным зажиганием.

На практике при обработке автомобиля, как рассказали авторы методики, машину полчаса катают на буксире с включенной второй передачей. После этого остаток "адской смеси" масла и порошка залили в двигатель. Мотор завели, дали 40 минут поработать на холостых оборотах, потом масло слили и двигатель промыли. Основная хитрость, как нам объяснили, - количество порошка и режим приработки.

После заправки мотора свежим маслом его обработку сочли законченной. С этого момента начался цикл ускоренных испытаний.

Геомодификаторы - это порошковые минерально-силикатные композиции на основе подвидов минерала серпентинита. Основной механизм влияния на поверхности трения - микрошлифовка, сопровождающаяся некой модификацией поверхностных слоев обрабатываемых деталей. Об этих препаратах мы уже писали ("5 колесо" № 6, 2002 и № 7, 2003).

Рис. 1.    Динамика приработки двигателя с препаратом "Ниод-5"

Контрольные замеры параметров двигателя выявили следующую картину (рис. 1). На первом этапе (сразу после обработки препарата и последующей смены масла) наблюдается существенное, до 10 % падение мощности и рост расхода топлива. Очевидно, это связано с активным формированием модифицированного слоя, происходящем при микрошлифовки поверхностей: механические потери в двигателе существенно увеличиваются, соответственно, ухудшаются параметры его работы.

По мере формирования модифицированного слоя механические потери уменьшаются, и на втором этапе (15 - 17 моточасов ускоренного цикла испытаний после обработки), наблюдаются непрерывный рост мощности и снижение удельного расхода топлива. При этом параметры обработанного двигателя существенно превышают базовые характеристики. Так, в конце второго этапа наблюдалось повышение крутящего момента в режимах 1500 мин -1 - на 9 %, 3500 мин -1 - на 5 %. При этом удельный расход топлива снизился в диапазоне режимов, характерно для городского цикла, на 12 - 15 %.

На третьем этапе отмечались стабилизация эффекта и некоторое его снижение. Возможно, это связано со срабатыванием модифицированного слоя. Начало ухудшения характеристик в режимах городского цикла (диапазон частот вращения 1500 - 3500 мин -1) зафиксировано на 20-м часе ускоренных испытаний, что соответствует пробегу по эквиваленту износа в 35 - 40 тыс. км. Для среднестатистического автомобиля, эксплуатирующегося в городских условиях.

В режимах, близких к номинальным, достичь начала третьего этапа не удалось: на всем протяжении испытаний наблюдалось устойчивое повышение параметров, однако темп улучшения характеристик двигателя был существенно медленнее.

После еще одной сиены масла в двигателе бы проведен дополнительный 25-часовыой цикл испытаний для анализа последействия препарата. В целом эффект сохранился, однако наметилась тенденция уменьшения мощности и роста расхода топлива. И даже в конце этого цикла испытаний параметры существенно превышали базовые.

Но при вскрытии двигателя на рабочих поверхностях сравнительно "мягких" деталей - антифрикционном слое вкладышей подшипников, постели распределительного вала и тронках поршней - мы увидели глубокие царапины. К сожалению, это особенность любой геообработки. Видно было (особенно под микроскопам), что нелегко пришлось и поршневым кольцам. Однако все эти детали не потеряли работоспособности.

Следующий препарат - металлоплакирующий состав "Автоплюс-2025". Здесь (как и во всех остальных случаях) обработка выглядела куда более прозаично: взяли флакон и вылили его в двигатель. Никаких ограничений по режимам эксплуатации после обработки не накладывается.

Рис. 2.    Динамика приработки двигателя с препаратом "Автоплюс-2025"

Металлоплакирующие составы наращивают на поверхностях трения слой мягких металлов, ионы или микрочастицы которых содержатся в препарате. Этот слой устраняет излишнюю шероховатость, "залечивает" следы износа и тем самым улучшает условия работы узлов трения двигателя. Анализ динамики работы препарата и в этом случае выявил несколько основных этапов (рис. 2).

На первом, продолжающемся 2 - 4 часа (в зависимости от режима работы двигателя) с момента ввода препарата, наблюдается значительный рост мощности и снижение удельного расхода топлива. На поверхностях трения двигателя формируется антифрикционный слой, снижается мощность механических потерь, выравниваются дефекты трения на рабочих поверхностях цилиндров и подшипников коленчатого вала. Общий эффект к концу этапа приработки достигает 3 - 9 % по мощности и 2 - 5 % по расходу топлива.

Второй этап характеризуется стабилизацией параметров работы двигателя. В течение этого периода имеет место динамическое равновесие, характеризуемое балансом плакирующего вещества, поступающего в слой из масла и металла, снимаемого с поверхностей трения в процессе износа. Параметры двигателя на данном этапе имеют некоторые переколебания относительно среднего уровня, существенно превышающего начальный (до обработки).

На третьем этапе (начиная с 20 часов ускоренного цикла испытаний) наблюдается устойчивое снижение эффекта обработки. Очевидно, в данной стадии нарушается динамический баланс плакирующего вещества, поступающего и снимаемого с поверхностей трения двигателя. Количества активного материала в масле явно недостаточно для компенсации износа антифрикционного слоя. Параметры двигателя начинают приближаться к начальным.

Препарат практически не показал последействия, но его никто и на заявлял: в инструкции четко прописано, что препарата следует заливать при каждой смене масла. По нашим же оценкам, через каждые 5 - 7 тыс. км.

Вскрытие двигателя после испытаний не выявило никакого "криминала". В цилиндрах наблюдалась характерная зеркальная зона в верхней части, где плакирующий слой, вероятно, имел максимальную толщину. У вкладышей и поршней зоны контактов, обычно матовые, после обработки блестели, что выдавало наличие зон с очень малой шероховатостью поверхности.

Препарат "Феном" тоже просто заливается в свежее масло. Препарат относится производителем к группе "кондиционеров металлов". Механизм действия - организация на поверхностях терния защитного "сервовитного" слоя. Вот как это объясняют разработчики:

"Препарат Fenom реализует трибохимический процесс "износ-восстановление" металлических поверхностей трения. В результате замкнутого цикла химических реакций - образования и распада в зоне трения промежуточных соединений металла с активными молекулами Fenom с последующим их восстановлением до химически чистого железа - на поверхностях трения образуется сервовитная (защитная) пленка (сотые доли мкм: 200 - 300 ангстрем). Защитная пленка включает фазы чистого железа (с низким усилием сдвига) и приповерхностного металла с пониженной дефектностью кристаллической структуры (упрочненные структуры). В результате защитный слой приобретает пластичные и упругие, антифрикционные свойства и одновременно стойкость к высоким удельным нагрузкам".

Откровенно говоря, не очень понятно. Однако данные испытаний (динамика работы препарата), а также визуальный анализ состояния деталей двигателя позволили нам сделать собственные предположения о природе воздействия препарата.

Рис. 3.    Динамика приработки двигателя с препаратом "Феном"

Динамика его работы существенно отличается от того, что мы видели раньше (рис. 3).

Эффект достигается практически сразу после вода. При этом рост мощности двигателя во всем диапазоне внешней характеристики составляет 3 - 5 %, снижение расхода топлива - 5 - 8 %. Эффект достаточно стабилен, переколебания не превышают точности замера величин достаточно долго. Некоторое снижение эффекта замечено лишь на конечной стадии испытаний.

Производители рекомендуют использовать препарат при каждой смене масла. Но мы решили посмотреть, что будет, если двигатель, обработанный "Феномом", дальше эксплуатировать без препарата.

Получилось вот что. Эффект пропал очень быстро - через 4 - 5 часов, а к концу этой серии испытаний все попытки выйти в номинальные режимы или хотя бы приблизиться к ним резко пресекались возникновением сильной детонации начиная уже с 60 - 70 % нагрузки. Двигатель пришлось остановить и разобрать.

Вскрытие выявило наличие толстого слоя нагара (до 0,8 мм) на поверхностях камеры сгорания, структура которого была специфической - рыхлой и зернистой. Такого нагара за двадцать лет работы в двигателестроении видеть не приходилось. Кроме того, интересно выглядели цилиндры: рабочая поверхность в верхней части имела желтые пятна, четко выделяющие структуру микропрофиля поверхности - следы хона, продольные царапины и т. д. Сразу вспомнилось утверждение изготовителей присадки о том, что сервовитный слой состоит из чистого железа. А ведь оно быстро окисляется даже в атмосферных условиях. Цвет же пятен очень напоминал цвет оксидов железа, то есть ржавчины.

Полученные результаты и наш опыт подсказывают, что подобным образом ведут себя двигатели, обработанные полимерноплакирующими составами - присадками, образующими на поверхности цилиндров и шеек коленчатого вала полимерную пленку. Об этом говорят как скорость нарастания и стабильность эффекта, так и темп его снижения после вывода присадки из двигателя.

Полученные результаты и наш опыт подсказывают, что подобным образом ведут себя двигатели, обработанные полимерноплакирующими составами - присадками, образующими на поверхности цилиндров и шеек коленчатого вала полимерную пленку. Об этом говорят как скорость нарастания и стабильность эффекта, так и темп его снижения после вывода присадки из двигателя.

Это подтверждает версию о возможной полимерной (либо частично полимерной) природе плакирующего слоя, формируемого "Феномом". Полимеры, как известно, нестойки к температуре, поэтому слой в камере сгорания выгорает. Отсюда и нагары специфического вида. Падение же эффекта - это характерная особенность механизма плакирования в ситуации, когда нарушается баланс между интенсивностью формирования и разрушения слоя. Вывод препарата из масла сразу нарушает этот баланс. Отсутствие эффектов детонации при наличии присадки в масле выдает присутствие в составе препарата мощных очистителей, позволяющих регулировать толщину слоя нагара и не допускать его чрезмерного роста.

Впрочем, все сказанное выше - это предположения, хотя, на наш взгляд, достаточно обоснованные. Что происходит на самом деле - вопрос научной дискуссии с разработчиками и, естественно, дальнейших исследований.

Препарат "Энергия 3000" (E3000) относится производителем к группе антифрикционных противоизносных препаратов, формирующих на поверхности узлов трения защитный плакирующий слой металлоорганики и параллельно производящих "химическую" микрошлифовку поверхностей.

Препарат добавляется в моторное масло, но, в отличие от материалов "Феном" и "Автоплюс-2025", здесь рекомендуется использовать старое масло за 1000 - 1500 км до смены. По окончании обработки масло с присадкой сливается, двигатель промывается. При смене масла новой обработки не требуется, то есть заявляется длительное последействие препарата. Что ж, посмотрим.

На первом этапе, начинающемся с ввода препарата в двигатель и продолжающемся 4 - 7 часов, в зависимости от режима работы мотора, наблюдается значительный рост мощности и снижение удельного расхода топлива. Общий эффект, достигаемый в конце этапа, исчисляется 3 - 6 % по мощности и 7 - 8 % по расходу топлива.

Второй этап характеризуется стабилизацией параметров работы двигателя.

Рис. 4.    Динамика приработки двигателя с препаратом "Энергия-3000"

После промывки двигателя и замены масла параметры резко возрастают и стабилизируются. За последующие 25 моточасов ускоренного цикла испытаний обработанного двигателя на чистом масле эффект от использования препарата практически сохраняется (рис. 4).

Анализ состояния поверхностей терния после вскрытия двигателя дал интересные результаты. На всех деталях в отраженном свете имеется зеркальный слой, по структуре напоминающий полированное стекло. В зонах наибольшего нагружения деталей толщина этого слоя, судя по интенсивности блеска, больше. В ненагруженных зонах слой практически не виден. Это значит, что механизмы химической обработки поверхностей действительно регулируются, и в качестве управляющих факторов выступают давление и температура в зоне трения.

Кроме того, удивило отсутствие каких-либо отложений на боковых поверхностях поршней, в канавках под поршневые кольца и на цилиндрах. Моющий эффект присадки проявился очень четко. Следовательно, дополнительный результат обработки будет достигаться за счет раскоксовки поршневых колец.

В целом, как в ходе основных испытаний, так и испытаний на последействие, а также по результатам дефектации двигателя. Каких-либо отрицательных последствий не выявлено.

О том, что показало сопоставление эффективности работы препаратов, мы расскажем в ближайших номерах журнала.

Авторы статьи: Александр Шабанов, к. т. н.,
руководитель направления "Трибология и надежность ДВС",
Алексей Зайцев, к. т. н., Санкт-Петербургский политехнический университет.