Motorové oleje pro úsporu paliva: Vědecké zdůvodnění a kontroverze

Abstrakt

Vzhledem k tomu, že významná část energetických ztrát ve spalovacím motoru pochází z viskózního rozptylu, trend se posunul směrem k olejům s nízkou viskozitou z SAE 40 a 50 v 60. a 80. letech 20. století na současné třídy SAE 20 a nižší viskozity. Použití motorových olejů s nízkou viskozitou výrazně snižuje energetické ztráty v hlavních ložiscích a systémech píst/vrtání, zatímco tribologické namáhání ventilového rozvodu - zejména u motorů s plochými zdvihátky - se může zvýšit. To je silný argument pro zavedení nových tříd modifikátorů tření a přísad proti opotřebení. Vývoj vyvážené formulace však není tak přímočarý, jak se zdá, a v důsledku aditivních interakcí se může vyskytnout řada úskalí. Dalším závažným problémem je, že definice "motorového oleje pro úsporu paliva" je poměrně vágní, protože závisí na výběru referenčního oleje. V současné době je hodnocení spotřeby paliva založeno na testech Sequence VIE nebo VIF s použitím benzínového motoru 3,6 l GM V6 z roku 2012. Není neočekávané, že výsledky tohoto testu se ukáží jako značně zavádějící, když se extrapolují na moderní silně posílené motory s nízkým objemem. Proto existuje také mnoho testů spotřeby paliva specifických pro výrobce OEM a různé konstrukce motorů často vedou ke kontroverzním výsledkům. Kromě toho se může dramaticky měnit výkonnost "úspory paliva" stejného oleje ve stejném motoru v závislosti na jízdním cyklu. Například olej s nízkou viskozitou může zvýšit spotřebu paliva při cestovní rychlosti (vysoká rychlost / nízký limit zatížení) a snížit spotřebu paliva při agresivní jízdě ve městě (nízká rychlost / vysoké zatížení).

Všechny výše uvedené okolnosti je třeba vzít v úvahu při snaze harmonizovat normativní požadavky na výkon s očekáváním zákazníků.

Introduction

Nové normy pro úsporu paliva pro automobily zavedené vládami hlavních ekonomik G20 a změna v preferencích zákazníků způsobená vysokými cenami pohonných hmot spolu s uhlíkovými daněmi zvyšují tlak na výrobce automobilů. V USA Národní úřad pro bezpečnost silničního provozu (NHTSA) a Agentura pro ochranu životního prostředí (EPA) nedávno vydaly pravidlo pro bezpečnější a cenově dostupná vozidla s nízkou spotřebou paliva (SAFE), které stanovuje přísné normy pro spotřebu paliva a oxid uhličitý. Tyto normy se vztahují na osobní automobily a lehká nákladní vozidla a stanovují pohyblivý cíl, jehož přísnost se bude od modelových let 2021 do roku 2026 každoročně zvyšovat o 1,5 %. Pozoruhodné je, že s ohledem na realitu trhu byla laťka očekávání snížena na 40,4 mpg předpokládané celkové průměrné požadované spotřeby paliva v odvětví v roce 2026 ve srovnání s 46,7 mpg předpokládaným požadavkem podle norem z roku 2012. Ta byla opět nižší než původní cíle EPA pro rok 2025 ve výši 62 mpg oznámené před deseti lety – které byly brzy poté sníženy na 56 mpg.

To ukazuje, že pokrok je poměrně bolestivý a příliš ambiciózních cílů nelze dosáhnout bez pevných technologických základů a silných finančních pobídek, které budou hnací silou změny.

Ostatní trhy sledují stejný trend, viz obr. 1.

Obr.1 Srovnání norem pro úsporu paliva na klíčových trzích vozidel (Zdroj: ICCT, září 2019)

V Evropě přijaly Evropský parlament a Rada nařízení (EU) 2019/631, kterým se stanoví výkonnostní normy pro emise CO2 pro nové osobní automobily a nové dodávky pro roky 2025 a 2030. Od roku 2021 je cíl průměrných emisí nových automobilů pro vozový park EU stanoven na 95 g CO2/km. To odpovídá spotřebě paliva přibližně 4,1 l/100 km (57,4 mpg) benzínu nebo 3,6 l/100 km (65,3 mpg) nafty. Dnešní průměrné emise CO2 u nových automobilů prodávaných v EU se pohybují kolem 120 g CO2/km. Výrobci automobilů platí pokutu ve výši 95 EUR za každý g/km překročení cíle.

Nové japonské normy pro úsporu paliva vydané před rokem stanovily cíl pro průměrnou spotřebu paliva ekvivalentní benzínu pro vozový park na 25,4 kilometru na litr (59,8 mpg) do roku 2030, což je přibližně 30% zlepšení oproti dnešnímu průměru vozového parku.

Tyto politické a ekonomické faktory zintenzivňují úsilí velkých výrobců OEM v oblasti výzkumu a vývoje ve snaze o lepší úsporu paliva. Kromě společného úsilí o elektrifikaci hnacího ústrojí a využívání alternativních zdrojů energie ke snížení emisí skleníkových plynů je kladen velký důraz na pochopení tribologických aspektů energetických ztrát v hnacím ústrojí a využití současného pokroku v oblasti mazacích technologií a povlaků k minimalizaci těchto ztrát. Na podporu těchto ekologických inovací jsou výrobcům udělovány "emisní kredity" za zavádění inovativních technologií, které by měly na základě nezávisle ověřených údajů vést ke snížení emisí CO2, i když zkušební postup použitý pro schválení typu vozidla neprokáže žádný účinek. Kromě toho jsou výrobcům udělovány "superkredity" za to, že uvádějí na trh automobily s nulovými a nízkými emisemi (BEV, PHEV) s emisemi nižšími než 50 g CO2/km.

Náklady na vývoj, náklady na materiál a výrobní náklady jsou vždy důležitými faktory při posuzování tržního potenciálu toho či onoho přístupu.

Přibližně jedna třetina spotřeby paliva v automobilech je způsobena ztrátami třením [1], přičemž tření hnacího ústrojí je jedním z hlavních viníků, viz obr. 2.

Obr.2 Energetické ztráty v osobních automobilech (Zdroj: www.fueleconomy.gov)

Proto je vývoj pohonných jednotek s nízkým třením považován za důležitý cíl [1-3].

Úloha motorového oleje ve vývoji hnacího ústrojí s nízkým třením

Předpokládá se, že automobilové motory pracují převážně v hydrodynamickém režimu [4-6]. Snížením viskozity maziva lze tedy snížit tření motoru a zlepšit spotřebu paliva vozidla. Obr. 3 vysvětluje, jak tato strategie funguje: na levé straně je zobrazena skutečná křivka točivého momentu typického sériově vyráběného motoru 1.6 l GDI a na pravé straně je zobrazena křivka třecího momentu pro stejný motor měřená pomocí motorové soupravy. Tření "spolkne" přibližně 1/10 užitečného točivého momentu, který může motor vyprodukovat. Skutečnost, že třecí moment se zvyšuje s otáčkami motoru, dokazuje hydrodynamický režim mazání. Proto přechod na mazivo s nižší viskozitou pomáhá snížit třecí moment při vysokých otáčkách.

Obr. 3 Křivka točivého momentu (l.h.s.) a křivka třecího momentu (r.h.s.) pro sériový motor 1.6L i4 GDI. Jsou také ukázány primární inženýrské strategie pro snížení tření.

V posledních dvou desetiletích existuje stálý trend směrem k mazivům s nižší viskozitou, viz obr. 4. Norma SAE J300 byla tedy v roce 2015 revidována tak, aby zahrnovala tři nové třídy lehčí viskozity, SAE 16, 12 a 8. Těžší typy PCMO SAE XW-40, xW-50 a xW-60 se stávají specializovanými produkty. Specifikace ILSAC GF-6 nezahrnuje ani viskozity nad SAE 30. Automobilová převodová maziva následují: Norma SAE J306 byla v roce 2019 revidována přidáním viskozitních tříd SAE 75, 70 a 65.

U osobních automobilů přináší změna ze starší třídy SAE 10W-40 na 0W-20 v průměru 5% zlepšení spotřeby paliva za testovacích podmínek WLTP a následný přechod na 0W-8 může přinést dalších 5 % za předpokladu, že hardware motoru bezpečně zvládne tak nízkou viskozitu. U těžkých nákladních vozidel je efekt mnohem menší: přechodem ze starších SAE 15W-40 na 5W-20 se za podmínek ESC neušetří více než 2 % a za podmínek ETC ještě méně. Mnoho starších konstrukcí HDDE není schopno pracovat s olejem s nízkou viskozitou.

Obr.4 Pokračující trend směrem k nižší viskozitě a nižším SAPS mazivům

Existuje však primární překážka, která stále více snižuje viskozitu maziva: je to opotřebení [7-11]. Tloušťka hydrodynamického mazacího filmu je přímo úměrná viskozitě maziva. Proto, aby byl zachován režim hydrodynamického mazání, bude nutné změnit specifikace povrchové úpravy a modernizovat olejové čerpadlo a systém filtrace oleje [7]. Bez toho je riziko nadměrného opotřebení reálné a nelze jej ignorovat, viz obr. 5-6

Obr.5 Simulované mapy stavu ΔBSFC a ložisek pro moderní motor osobního automobilu (podle D.E. Sander et al. [8])

Obr. 5 ukazuje simulovanou mapu ΔBSFC pro motor moderního osobního automobilu a simulovanou mapu stavu ložisek pro totéž. Uprostřed je zobrazena změna BSFC při přechodu z SAE 0W-20 (levá strana) na 0W-8 (uprostřed), zelená oblast odpovídá zlepšené spotřebě paliva, červená oblast – zhoršené spotřebě paliva. Snížení BSFC je možné až o 20 %. Bohužel, maximální efekt je omezen na špatnou část mapy: střední až vysoké otáčky motoru a nízké zatížení. Takové podmínky platí pro motor vytáčející se na volnoběh. V blízkosti "sweet spotu" motoru je účinek na BSFC snížen na 10 %. Nejproblematičtějším pozorováním je však červená oblast při nízkých otáčkách a vysokém zatížení motoru, protože to neznamená pouze sníženou spotřebu paliva, ale také zvýšené riziko opotřebení [5,7-12]. To potvrzuje simulace stavu hlavního ložiska.

Podobné trendy byly pozorovány u těžkých dieselových motorů, viz obr. 6. Ve skutečnosti je nesoulad v tomto případě ještě zřejmější, protože maximální efekt úspory paliva přichází při nízkém zatížení a vysokých otáčkách, zatímco k největšímu opotřebení dochází při vysokém zatížení a nízkých otáčkách, blízko sladkého bodu motoru. U mnoha motorů začínají problémy již při přechodu ze staršího API CJ-4 nebo jeho zpětně kompatibilního nástupce API CK-4 na lehčí motorový olej FA-4. Současně mohou některé nové motory – např. od společností Scania a DAF – bezpečně používat oleje o hmotnosti 5W-20 a dokonce 0W-16.

Obr.6 Potenciální problémy s opotřebením HDEO s ultranízkou viskozitou (podle P. Klejwegt et al. [9])

Výše uvedené příklady ukazují, že mazivový film může selhat při nízkých otáčkách a vysokém zatížení. Problémy při vysokých otáčkách jsou většinou spojeny s nedostatečným výkonem olejového čerpadla a lze je řešit použitím variabilních čerpadel. Při vysokých otáčkách motoru hrají zvýšenou roli také setrvačné síly působící na vratnou skupinu a kavitační efekty. To může způsobit problémy s malým koncem rozhraní ojnice/zápěstního čepu a ložisky. Obecně platí, že maziva s nižší viskozitou bývají méně náchylná ke kavitaci.

Vzhledem k tomu, že hydrodynamický film se zhroutí, když nedochází k relativnímu pohybu mezi třecími plochami, problémy s opotřebením spojené se zaváděním maziv s nízkou viskozitou se dále zhoršují díky technologii automatického start-stop [13,14]. Použití elektrických olejových čerpadel a válečkových ložisek pro vačkový hřídel a vyvažovací hřídel pomáhá tento problém zmírnit. Klikové hřídele s válečkovými ložisky byly také vyzkoušeny, ale shledány nepraktickými.

Složení maziva klikové skříně lze jemně vyladit pro optimální výkon za specifických podmínek. Například motorový olej může být navržen tak, aby fungoval nejlépe při vysokých otáčkách a teplotě motoru, jako je tomu u závodních olejů. Závodní olej by však nebyl dobrou volbou pro silniční auta v městském provozu stop-and-go. Naopak, lze navrhnout motorový olej tak, aby fungoval nejlépe v městském provozu při zastavování a rozjíždění, ale pak se mu nemusí podařit získat svou "koblihu" šetřící zdroje.

Na rozdíl od závodních olejů jsou běžná maziva formulována tak, aby vyvažovala velké množství různých vlastností, což je jakýsi vědomý a nevyhnutelný posun paradigmatu od "být v něčem nejlepší" k "být dost dobrý ve všem". Vzhledem k tomu, že úspora paliva je považována za mimořádně důležitý výkonnostní aspekt – ve skutečnosti to mnoho schválení OEM výslovně vyžaduje – přechod na nižší viskozity bude pokračovat. Je však třeba si uvědomit, že oleje pro úsporu paliva nemají pro konečného spotřebitele velký ekonomický smysl – mluvíme o úspoře paliva přibližně 100 eur ve srovnání s rizikem 1000 eur, pokud je olej příliš řídký a způsobuje nadměrné opotřebení motoru. Přínos těchto olejů však plyne výrobcům automobilů. Pokud jejich vozidla mohou ušetřit 1–2 % paliva použitím speciálního maziva pro úsporu paliva, pak může tento OEM výrobce drasticky snížit množství pokut, které mohou muset zaplatit.

Použití modifikátorů tření v mazivech klikové skříně

Zvýšené požadavky na výkonnost maziv vysvětlují stálý nárůst podílu syntetických maziv na trhu v posledních dvou desetiletích. Syntetické základové oleje mají řadu výhod: lepší konzistenci vlastností, vyšší oxidační stabilitu, lepší tekutost při nízkých teplotách, nízkou těkavost atd., viz obr. 7 V kombinaci se správnými přísadami lze syntetické základové oleje použít k výrobě maziv s vynikajícími vlastnostmi. Zvláštní zmínku si zaslouží jeden typ aditiv, pokud jde o motorové oleje pro úsporu paliva: modifikátory tření. Modifikátory tření jsou nepostradatelným nástrojem pro "inteligentní olejovou techniku", viz obr. 3.

Obr. 7 Přechod k plně syntetickému motorovému oleji

Modifikátory tření lze zhruba rozdělit do dvou hlavních kategorií: (1) částicové systémy (PTFE, grafit, grafen, MoS2, WS2, IF-WS2, kyselina nanoboritá, nanočástice oleátu mědi/mědi atd.); (2) systémy vytvářející adsorpční vrstvy, které zase mohou být monomolekulární (glycerolmonooleát, sorbitanmonooleát, mastné triglyceridy, estery hydroxykarboxylových kyselin, fosfátové estery, boritany, mastné kyseliny, mastné amidy, mastné aminy, sířené tuky atd.) a polymerní (methakryláty, polyestery, polyethery, polyamidy, polymerizované rostlinné oleje atd.). Hlavní výhodou částicových systémů je jejich relativně vysoká chemická stabilita, zatímco jejich hlavní nevýhodou je sklon k separaci. Systémy pevných částic mají tendenci způsobovat, že složení maziva má neprůhledný vzhled, což není vždy přijatelné. Systém modifikace tření částic se používá například v balíčku aditiv do motorového oleje Lubrizol 21307. Systémů pro vytváření adsorpčních vrstev je mnoho: na trhu jsou stovky komerčních produktů.

Hlavním rozdílem mezi monomolekulárními a polymerními modifikátory tření je kompaktnost adsorbovaných vrstev. Zatímco monomolekulární OFM mají tendenci vytvářet husté "kartáčovité" molekulární vrstvy, polymerní OFM produkují "gelovité" adsorpční vrstvy. Tyto vrstvy způsobují odpuzování mezi povrchy – stejně jako polymerní dispergátory – což přispívá k takzvanému efektu "supermazivosti": mají tendenci posouvat Stribeckovu křivku doleva tím, že rozšiřují rozsah mazání plným filmem směrem k vyššímu zatížení [2,16]. Nemusí však nutně snižovat tření v režimu mazání plným mazacím filmem.

Zdá se, že hustě zabalené kartáčovité struktury poskytují nejlepší účinek na snížení tření při laboratorních testech, jako jsou HFRR, pin-on-disk, Cameron-Plint, MTM atd. Na druhou stranu jsou náchylnější k vytlačování jiných povrchově aktivních druhů v důsledku konkurenční adsorpce. Například glyceryl monooleát může účinně vytlačit fosforothiát molybdenu z povrchu. Ze stejného důvodu ztrácejí molybdenové přísady účinnost, pokud jsou nasazeny v kombinaci s určitými esterovými základovými oleji.

Smíšené systémy mohou kombinovat supermazivost s hraniční mazivostí. Například polymerizovaný rostlinný olej obvykle obsahuje malé množství mastných kyselin a parciálních esterů glycerolu. Polymerní molekuly zajišťují sterické odpuzování mezi třecími povrchy, zatímco mastné kyseliny a parciální estery glycerolu zvyšují mezní mazivost [17]. Mnoho komerčních systémů OFM vykazuje stejnou vlastnost (například Perfad 3000 od společnosti Croda). Tento typ chování lze snadno simulovat v laboratorních testech kombinací běžných zlepšovačů VI, jako je PIB nebo polystyren, s glycerolmonooleátem nebo sorbitanmonooleátem.

Povrchové gelotvorné OFM se méně pravděpodobně zapojí do konkurenční adsorpce, protože mají méně "kotev" na jednotku plochy. To umožňuje vyvíjet formulace kombinující příznivé vlastnosti extrémního tlaku s efektem "supermazivosti"; viz např. obr. 8 [18].

Podobný efekt supermazivosti lze zažít při chůzi po kluzkých skalách mořského pobřeží. Řasový sliz rostoucí na skalách zadržuje dostatečně silnou vrstvu vody, která působí jako lubrikant mezi vašimi chodidly a povrchem skály. Bez tohoto slizu by síla vodního filmu nebyla dostatečná k tomu, aby podepřela vaše nohy. Adsorpční vrstvy tvořené takovými povrchovými gelotvornými supermazivními přísadami jsou viskoelastické (nebo pseudoplastické) a mají příznivý tribologický účinek, protože snižují tření a opotřebení, stejně jako související rozptyl energie a buzení hluku. Pomáhají také solubilizovat částice tím, že působí jako polymerní dispergátory. Rozpojovací sílu mezi dvěma povrchy v přítomnosti takových přísad lze přímo měřit pomocí mikroskopie atomárních sil, obr. 9 [13]

Obr.8 Synergický systém modifikátorů tření obsahující polymerní modifikátor tření a moly aditivum [18]

Fig.9 AFM měření ukazující odpudivou sílu způsobenou povrchovou gelovou vrstvou tvořenou povrchově aktivní superlubricitou blokového kopolymeru [13]

v oleji rozpustné anorganické modifikátory tření, jako jsou fosforodifosforoáty molybdeničitého, mastné amidy kyseliny molybdenové a wolframové, dialkyl fosforodioát, estery boritanu mohou fungovat dvěma různými způsoby: Za prvé, působí adsorpcí – a jejich afinita ke kovovým povrchům je obvykle vyšší než u OFM. Za druhé, mohou podléhat tribomutaci za extrémních tlakových a/nebo smykových podmínek, kdy se na třecích plochách v kontaktu ukládají vrstvy pevného maziva. Deriváty molybdenu se tedy přeměňují na MoS2, wolfram – na WS2, boritan – na kyselinu boritou atd. Modifikátory anorganického tření tak hrají zásadní roli v procesu záběhu [19]. Tato vlastnost slouží také jako základ pro mechanickochemickou povrchovou úpravu [20] a vede ke snížení tření a opotřebení, viz obr. 10.

Obr.10 Vliv ZDDP a anorganických modifikátorů tření na tření ventilového rozvodu (podle Ashwortha et al. [21])

Vliv motorového oleje na tření motoru pro různé konstrukce motorů

Jak již bylo zmíněno v úvodu, přechod na mazivo s nižší viskozitou pomáhá snížit tření motoru. Nejlepším způsobem, jak to ilustrovat, je použití motorových souprav [4,13]. Obr. 11-13 ukazují údaje o třecím momentu pro dva různé benzínové motory. Ke stavbě souprav byly použity použité, ale funkční sériové motory 2L i4. Plošiny byly provozovány bez přetlakování, k dodávce ropy používalo externí bezpulzní elektrické olejové čerpadlo. Ke snížení datového šumu bylo také použito těžké setrvačník. Hlavním rozdílem mezi motory byl povrch vrtání válce: honovaná litina vs. tepelně stříkaná a typ ventilového rozvodu: přímočinná mechanická lopata (DAMB) vs. válečková prstová kladka (RFF).

Obr. 11 ukazuje vliv teploty oleje na tření motoru. Jak se dalo očekávat, nižší teplota oleje je spojena s vyšším třením. U starší konstrukce motoru (Motor A: Ford Duratec) s využitím konvenčních litinových vývrtů válců a ventilového rozvodu DAMB dochází k mírnému zvýšení tření v nízkých otáčkách: to lze přičíst hydrodynamickému zborcení mazacího filmu a nadměrnému hraničnímu tření ve ventilovém rozvodu a vratné skupině. Pro novější konstrukci motoru (Motor B: Mercedes Benz M133) se stříkanými otvory a ventilovým rozvodem RFF, třecí moment je téměř lineárně závislý na otáčkách motoru. To ukazuje, že nová konstrukce umožňuje účinně odvrátit hraniční tření.

Obr. 12 ukazuje vliv viskozitního stupně oleje při pracovní teplotě 90oC. Přechod ze starší třídy SAE 10W-40 na 0W-16 umožňuje téměř dvojnásobné snížení tření motoru při vysokých otáčkách. Účinek se však při přechodu na nižší otáčky postupně zmenšuje. Je zajímavé, že u staršího motoru poskytuje olej s nejnižší viskozitou nejvyšší tření na konci nízkých otáček. To opět ukazuje, že zhroucení hydrodynamického mazacího filmu může být skutečným problémem.

Konečně obr. 13 ukazuje, jak tření motoru reaguje na použití modifikátoru tření ve složení maziva. Je vidět, že motor s ventilovým rozvodem DAMB a konvenčními litinovými vrtáním válců získává větší užitek z použití modifikátorů tření než motor s ventilovým rozvodem RFF a tepelně stříkanými vrtáními. To ukazuje, že použití modifikátorů tření má smysl pouze tehdy, když existuje podstatný příspěvek mezního tření k celkové ztrátě energie.

Obr.11 Vliv teploty oleje na tření motoru: l.h.s. - Motor A, r.h.s. - Motor B.

Obr.12 Vliv viskozitního stupně oleje na tření motoru při 90oC: l.h.s. - Motor A, r.h.s. - Motor B.

Obr.13 Vliv modifikátoru tření molybdenu na tření motoru: l.h.s. - Motor A, r.h.s. - Motor B.

Je důležité si uvědomit, že různé modifikátory tření mohou mezi sebou soutěžit o volná místa povrchu a mohou také soutěžit s další důležitou třídou přísad, které jsou vždy přítomny ve formulacích maziv klikové skříně – detergenty [22]. Výsledkem je, že dvě různé formulace oleje s přesně stejnými viskozimetrickými vlastnostmi mohou mít stále různou spotřebu paliva, i když odchylky zřídka přesáhnou 1 procento.

Některé poznatky týkající se hybridních pohonných jednotek

Hybridní pohonné jednotky přinášejí nové výzvy pro formulátory olejů: protože motor ICE během používání vozu trvale nehoří, nemusí dosáhnout provozní teploty. To vytváří podmínky pro kondenzaci vody na stěnách výkonových válců a následné hromadění vody v klikové skříni. Vzhledem k tomu, že OFM jsou povrchově aktivní, pomáhají solubilizovat vodu a odvádět ji pryč z klikové skříně. Řídicí elektronika hnacího ústrojí musí v určitých intervalech zapínat spalovací motor, aby se olej zahřál a odpařila přebytečná voda.

Dalším důležitým aspektem, proč jsou OFM tak důležité pro motorové oleje pro hybridní automobily, je dodatečná úspora paliva. Hybridy mají tendenci používat maziva s nízkou a ultranízkou viskozitou: od 0W-20 (Volvo, Mercedes) až po 0W-8 (Honda). Viskozita oleje má dominantní vliv na úsporu paliva při vysokých otáčkách a nízkém zatížení. Tento provozní režim je však v reálném životě poměrně nedůležitý. Na druhou stranu OFM pomáhají zlepšit spotřebu paliva v nízkých otáčkách a vysokém zatížení limitu, který leží blíže sladkému bodu motoru a je nejzajímavější z praktického hlediska. Kromě toho OFM pomáhají minimalizovat závislost na anorganických modifikátorech tření, které mohou být potenciálně škodlivé pro zařízení pro regulaci výfukových plynů. Obr. 14 ukazuje, že organické modifikátory tření mohou úspěšně konkurovat MoDTC, pokud jde o účinek snižující tření.

Fig.14 Údaje ze zkoušek MTM porovnávající dva komerční organické modifikátory tření s MoDTC v základovém oleji PAO. Byly použity následující zkušební podmínky: SRR 50%, zatížení 36N, teplota 100oC.

V neposlední řadě: polymerní OFM funguje dobře v kombinaci s polyetherovými (OSP) rozpustnými v oleji (OSP) a esterovými základovými oleji, které se často používají v mazivech s ultranízkou viskozitou (třídy 0W-8 a 0W-12), zatímco molybdenová aditiva se v tomto případě ukazují jako méně účinná.

V Japonsku začal přechod na olej SAE 0W-20 již kolem roku 1980 a první produkt podobný SAE 0W-16 (v té době neexistovalo žádné označení J300 pro viskozitní třídy pod SAE 20) byl představen v roce 2010. V současné době Honda a Toyota aktivně propagují technologii SAE 0W-8, která přináší v průměru o 3–4 % nižší spotřebu paliva než SAE 0W-20. Byl vyvinut nový test spotřeby paliva JASO, který v budoucí specifikaci ILSAC GF-7 pravděpodobně nahradí stávající sekvenční VIF. V roce 2019 byl dokončen vývoj nové normy – známé jako JASO M364:2019 – a specifikace oleje – JASO GLV-1 [23]. Pro test spotřeby paliva lze použít buď zážehový motor Toyota 2ZR-FXE 1.8L, nebo motorový motor Nissan MR20DD 2.0L. Navrhované limity spotřeby paliva pro novou specifikaci JASO GLV-1 jsou >1,1 % (spalování) a >2,0 % (motorizace) ve srovnání s referenčním olejem SAE 0W-16. ILSAC GF-7 pravděpodobně nepřijde dříve než v roce 2025 - pokud vůbec přijde, vezmeme-li v úvahu všechny překážky, zpoždění, neúměrné náklady a omezenou užitečnost kategorie ILSAC GF-6.

Závěrečné poznámky

Motorový olej je důležitým prvkem ve vývoji pohonných jednotek s nízkým třením. Přechod na motorový olej s nízkou viskozitou je účinný způsob, jak snížit ztráty třením ve spalovacích motorech. Olej s nízkou viskozitou má však tendenci ohrožovat ochranu proti opotřebení, což vyžaduje použití modifikátorů tření a přísad proti opotřebení ve formulacích maziv klikové skříně. Spolu s širším přijetím syntetických základových olejů se očekává, že modifikátory tření budou v budoucnu hrát stále důležitější roli.

Střet zájmů

Autoři prohlašují, že výzkum byl proveden bez jakýchkoli obchodních nebo finančních vztahů, které by mohly být vykládány jako potenciální střet zájmů.

Autorské příspěvky

Boris Zhmud stojí za obecnou myšlenkou článku a výzkumnými daty. Arthur Coen a Karima Zitouni přispěli do sekce o použití různých tříd modifikátorů tření.

Poděkování

Robertu Ianu Taylorovi děkujeme za podnětnou diskuzi a komentáře týkající se testů tření motorových motorů. Peteru Klejwegtovi děkujeme za to, že se podělil o své zkušenosti s motorovým olejem pro úsporu paliva pro náročné aplikace.

References

1.  K. Holmberg, P. Andersson, A. Erdemir. Celosvětová spotřeba energie v důsledku tření v osobních automobilech. Tribology International, 47 (2012) 221.
2. B. Zhmud, Vývoj energeticky účinných maziv a nátěrů pro automobilové aplikace, Tribologie a mazací technologie 67(9) (2011) 42.
3. B. Zhmud, Pursuit pro lepší spotřebu paliva: Snížení tření motoru pomáhá maximalizovat míle na galon, Součást vozidla 5 (2012) 18.
4. R.I. Taylor, N. Morgan, R. Mainwaring, T. Davenport, Kolik smíšeného/mezního tření je v motoru - a kde je? Proc IMechE část J: J. Inženýrská tribologie 234 (2020) 1563.
5. B. Zhmud, Tribologie motorů: trnitá cesta z laboratoře do terénu, Lube 154 (2019) 20.
6. R.I. Taylor, R.C. Coy, Zlepšená úspora paliva díky konstrukci maziva: Recenze, Proc. Inst. Mech. Eng. 214 (1999) 1.
7. B. Tatievski, B. Zhmud, "Motorové oleje pro úsporu paliva: Vědecké zdůvodnění a kontroverze", v Proc. 20. mezinárodní kolokvium Tribology, Stuttgart, Německo, 12.-14. ledna 2016.
8. D.E. Sander, H. Allmaier, C. Knauder, F. Strömstedt, Potenciály a rizika snížení tření u budoucích motorových olejů s ultra nízkou viskozitou. MTZ Worldwide 79 (2018) 21.
9. P. Kleijwegt, R. ter Rele, M. Sabater Ferret, R. van den Bulk, "Globální specifikace motorových olejů pro těžký provoz a jejich dopad na maziva současné a příští generace" Benelux Smeermiddelen Congres, Retie, Belgie, 26. září 2019.
10. G. Lechner, A. Knafl, D. Assanis, S. Tseregounis, M. McMillan, S. Tung, P. Mulawa, E. Bardasz, S. Cowling, Účinky motorového oleje na tření a emise lehkého vznětového motoru 2,2 l s přímým vstřikováním, Část 1 – Výsledky zkoušek motoru. Technické dokumenty SAE 2002-01-2681.
11. S. Tung, M. McMillan, G. Hong, E. Bardasz, Účinky motorového oleje na tření a opotřebení při použití součástí vznětového motoru s přímým vstřikováním 2,2 l pro testování na zkušebním stavu, Část 2: Výsledky testů tribologických stolic a povrchových analýz. Technické dokumenty SAE 2004-01-2005.
12. B. Zhmud, E. Tomanik, "Optimalizace tribologie píst/vrtání: Úloha specifikací povrchu, svazku kroužků a maziva." Mezinárodní kolokvium Tribology, Esslingen, Německo, 28.-30. ledna 2020.
13. B. Zhmud, B. Tatievski, "Příprava na ILSAC GF-6: Výhody plně syntetických motorových olejů pro zvýšení spotřeby paliva." Světový tribologický kongres, Peking, Čína, září 17-22, 2017.
14. B. Zhmud, "Současný pokrok v mazivech klikové skříně." Evropský summit o základních olejích a mazivech, Rotterdam, Nizozemsko, 20.–21. listopadu 2019.
15. H. Hroty, přísady modifikátorů tření, Trib. Lett. 60 (2015) 5.
16. B. Zhmud, M. Roegiers, Nové základové oleje představují výzvu pro rozpustnost a mazivost, Tribology and Lubrication Technology 65(7) (2009) 34.
17. M. Roegiers, B. Zhmud, Tribologická výkonnost ionizovaných rostlinných olejů jako přísad do mazivosti a mastného oleje v mazivech a palivech, Lubrication Science 21 (2009) 169.
18. M.C. Southby, H. Gao, C. Chen, C.A. Chin, B.L. Parke, Mazací směs, WO Patent 2015193395, 23. prosince 2015.
19. S. Li, R. Zhang, Y. Jin, Y. Wang, S. Tung, Tribokarbonizace syntetického motorového oleje v mazaném kluzném styku pístního kroužku/vývrtu válce a její vztah ke tření a opotřebení. Časopis syntetického mazání 20 (2003) 203.
20. B. Zhmud, "In-manufacture roll-in of engine components by using the Triboconditioning® process", in M. Abdel Wahab (Ed.): FFW 2018, LNME, s. 671–681, 2019.
21. S. Ashworth, K. Mistry, A. Morina, A. Neville, Jednovačkový tribometr pro hodnocení tribologických parametrů a tribochemie DLC potaženého sledovače ventilového rozvodu. Tribologie - materiály, povrchy a rozhraní, 6 (2012) 31.
22. S. Li, R. Zhang, Y. Jin, Y. Wang, S. Tung, Kompetitivní povrchové interakce kritických aditiv s pístními kroužky/součástmi vložky válce za podmínek mazaného záběhu. Tribologické transakce 46 (2003) 200.
23. S. Yoshida, K. Yamamori, S. Hirano, T. Sagawa a kol., Vývoj specifikace olejů pro automobilové benzínové motory nové generace JASO GLV-1 s nízkou viskozitou. Technický dokument SAE 2020-01-1426