Kraftstoffsparende Motorenöle: Wissenschaftliche Begründung und Kontroversen

Abstract

Da ein erheblicher Teil der Energieverluste im Verbrennungsmotor auf viskose Dissipation zurückzuführen ist, hat sich der Trend von SAE 40 und 50 in den 1960er bis 1980er Jahren zu den aktuellen SAE 20 und niedrigeren Viskositätsklassen verschoben. Durch den Einsatz von Motorenölen mit niedriger Viskosität werden die Energieverluste im Hauptlager und in den Kolben-/Bohrungssystemen deutlich reduziert, während die tribologischen Belastungen des Ventiltriebs - insbesondere bei Motoren mit Flachstößel - zunehmen können. Dies ist ein starkes Argument für den Einsatz neuer Klassen von Reibungsmodifikatoren und Verschleißschutzadditiven. Die Entwicklung einer ausgewogenen Formulierung ist jedoch nicht so einfach, wie es scheint, und aufgrund von additiven Wechselwirkungen können zahlreiche Fallstricke auftreten. Ein weiteres ernstes Problem besteht darin, dass die Definition des Begriffs "kraftstoffsparendes Motoröl" recht vage ist, da sie von der Wahl des Referenzöls abhängt. Heutzutage basiert die Bewertung des Kraftstoffverbrauchs auf den Sequence VIE- oder VIF-Tests mit einem 3,6-Liter-GM-V6-Benzinmotor aus dem Jahr 2012. Es ist nicht unerwartet, dass sich die Ergebnisse dieses Tests als weitgehend irreführend erweisen, wenn man sie auf moderne, stark verstärkte Motoren mit niedrigem Hubraum hochrechnet. Daher gibt es auch viele OEM-spezifische Kraftstoffverbrauchstests und unterschiedliche Motorendesigns führen oft zu kontroversen Ergebnissen. Darüber hinaus kann sich der Kraftstoffverbrauch desselben Öls im gleichen Motor je nach Fahrzyklus dramatisch ändern. Zum Beispiel kann niedrigviskoses Öl den Kraftstoffverbrauch bei Reisegeschwindigkeit (hohe Geschwindigkeit / niedrige Belastungsgrenze) erhöhen und den Kraftstoffverbrauch bei aggressiven Stadtfahrten (niedrige Geschwindigkeit/hohe Last) verschlechtern.

Alle vorgenannten Umstände sind zu berücksichtigen, wenn versucht wird, normative Leistungsansprüche mit Kundenerwartungen in Einklang zu bringen.

Introduction

Neue Kraftstoffverbrauchsstandards für Automobile, die von den Regierungen der großen G20-Volkswirtschaften eingeführt wurden, und veränderte Kundenpräferenzen, die durch hohe Kraftstoffpreise und CO2-Steuern verursacht werden, erhöhen den Druck auf die Automobilhersteller. In den USA haben die National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) und die Environmental Protection Agency (EPA) kürzlich die Safer Affordable Fuel-Efficient (SAFE) Vehicles Rule herausgegeben, die strenge Standards für Kraftstoffverbrauch und Kohlendioxid festlegt. Diese Normen gelten für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge und legen ein gleitendes Ziel fest, das von den Modelljahren 2021 bis 2026 jedes Jahr um 1,5 % an Strenge zunehmen wird. Bemerkenswert ist, dass die Erwartungslatte in Anbetracht der Realitäten des Marktes auf 40,4 mpg gesenkt wurde, um den prognostizierten durchschnittlichen Kraftstoffverbrauch der Branche im MJ 2026 zu senken, verglichen mit 46,7 mpg prognostizierten Anforderungen gemäß den Standards von 2012. Letzteres lag erneut unter den ursprünglichen EPA-Zielen für 2025 von 62 mpg, die vor einem Jahrzehnt angekündigt wurden – die kurz darauf auf 56 mpg reduziert wurden.

Dies zeigt, dass der Fortschritt ziemlich schmerzhaft ist und die überambitionierten Ziele ohne ein solides technologisches Fundament und starke finanzielle Anreize, um den Wandel voranzutreiben, möglicherweise nicht erreicht werden können.

Andere Märkte folgen dem gleichen Trend, siehe Abb. 1.

Abb.1 Vergleich der Kraftstoffverbrauchsnormen in den wichtigsten Fahrzeugmärkten (Quelle: ICCT, September 2019)

In Europa haben das Europäische Parlament und der Rat die Verordnung (EU) 2019/631 verabschiedet, die CO2-Emissionsnormen für neue Personenkraftwagen und neue leichte Nutzfahrzeuge für 2025 und 2030 festlegt. Ab 2021 wird das EU-weite durchschnittliche Emissionsziel für Neuwagen auf 95 g CO2/km festgelegt. Dies entspricht einem Kraftstoffverbrauch von rund 4,1 l/100 km (57,4 mpg) Benzin bzw. 3,6 l/100 km (65,3 mpg) Diesel. Der durchschnittliche CO2-Ausstoß von Neuwagen, die in der EU verkauft werden, liegt heute bei etwa 120 g CO2/km. Die Autohersteller zahlen die Strafe in Höhe von 95 € für jedes g/km, das über dem Zielwert liegt.

Japans neue Kraftstoffverbrauchsnormen, die vor einem Jahr veröffentlicht wurden, legen bis 2030 ein Ziel für den durchschnittlichen Kraftstoffverbrauch von 25,4 Kilometern pro Liter (59,8 mpg) fest, was einer Verbesserung von etwa 30 % gegenüber dem heutigen Flottendurchschnitt entspricht.

Diese politischen und wirtschaftlichen Faktoren intensivieren die Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen der großen OEMs in ihrem Streben nach besserer Kraftstoffeffizienz. Neben den konzertierten Bemühungen zur Elektrifizierung des Antriebsstrangs und der Nutzung alternativer Energiequellen zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen (THG) wird ein großer Schwerpunkt auf das Verständnis der tribologischen Aspekte der Energieverluste im Antriebsstrang gelegt und die aktuellen Fortschritte in der Schmiertechnik und den Beschichtungen genutzt, um diese Verluste zu minimieren. Um solche Öko-Innovationen zu fördern, werden den Herstellern "Emissionsgutschriften" für den Einsatz innovativer Technologien gewährt, die - auf der Grundlage unabhängig überprüfter Daten - zu einer Verringerung der CO2-Emissionen führen sollen, obwohl das für die Typgenehmigung von Fahrzeugen verwendete Prüfverfahren keine Wirkung zeigt. Darüber hinaus erhalten die Hersteller "Super-Credits" für das Inverkehrbringen von emissionsfreien und emissionsarmen Autos (BEV, PHEV) mit einem Ausstoß von weniger als 50 g CO2/km.

Entwicklungs-, Material- und Produktionskosten sind immer wichtige Faktoren, wenn es darum geht, das Marktpotenzial des einen oder anderen Ansatzes zu bewerten.

Etwa ein Drittel des Kraftstoffverbrauchs in Pkw ist auf Reibungsverluste zurückzuführen [1], wobei die Reibung im Antriebsstrang einer der Hauptverursacher ist, siehe Abb. 2.

Abb.2 Energieverluste in Pkw (Quelle: www.fueleconomy.gov)

Daher wird die Entwicklung reibungsarmer Antriebsstränge als wichtiges Ziel angesehen [1-3].

Die Rolle des Motoröls bei der Entwicklung eines reibungsarmen Antriebsstrangs

Es wird angenommen, dass Automobilmotoren überwiegend im hydrodynamischen Bereich arbeiten [4-6]. Daher kann man durch die Reduzierung der Schmiermittelviskosität die Motorreibung verringern und den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs verbessern. Abb. 3 erklärt, wie diese Strategie funktioniert: Auf der linken Seite ist die tatsächliche Drehmomentkurve eines typischen 1,6-Liter-GDI-Serienmotors dargestellt, und auf der rechten Seite ist die Reibmomentkurve für denselben Motor dargestellt, die mit einem motorisierten Prüfstand gemessen wurde. Die Reibung "frisst" etwa 1/10 des nutzbaren Drehmoments, das der Motor erzeugen kann. Die Tatsache, dass das Reibungsmoment mit der Motordrehzahl zunimmt, beweist das hydrodynamische Schmierregime. Daher trägt der Wechsel zu einem Schmierstoff mit niedrigerer Viskosität dazu bei, das Reibungsmoment bei hohen Drehzahlen zu reduzieren.

Abb.3 Die Drehmomentkurve (l.h.s.) und die Reibmomentkurve (r.h.s.) für einen serienmäßigen 1.6L i4 GDI-Motor. Die primären technischen Strategien zur Reibungsreduzierung werden ebenfalls aufgezeigt.

In den letzten zwei Jahrzehnten gab es einen stetigen Trend zu Schmierstoffen mit niedrigerer Viskosität, siehe Abb. 4. Daher wurde die Norm SAE J300 im Jahr 2015 überarbeitet und enthält drei neue leichtere Viskositätsklassen, SAE 16, 12 und 8. Die schwereren PCMO-Typen SAE xW-40, xW-50 und xW-60 werden zu Nischenprodukten. Die ILSAC GF-6-Spezifikation enthält nicht einmal Viskositäten über SAE 30. Kfz-Getriebeschmierstoffe folgen diesem Beispiel: Die Norm SAE J306 wurde 2019 überarbeitet und um die Viskositätsklassen SAE 75, 70 und 65 erweitert.

Bei Personenkraftwagen führt ein Wechsel von der alten SAE 10W-40-Klasse zu einer durchschnittlichen Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs um 5 % unter den WLTP-Testbedingungen, und die anschließende Umstellung auf 0W-8 kann weitere 5 % bringen, vorausgesetzt, die Motorhardware kann eine so niedrige Viskosität sicher handhaben. Bei schweren Lkw ist der Effekt deutlich geringer: Durch den Wechsel von der alten SAE 15W-40 auf 5W-20 spart man unter den ESC-Bedingungen nicht mehr als 2 %, unter den ETC-Bedingungen sogar noch weniger. Viele ältere HDDE-Konstruktionen sind nicht in der Lage, mit niedrigviskosem Öl zu arbeiten.

Abb.4 Der anhaltende Trend zu Schmierstoffen mit niedrigerer Viskosität und niedrigerem SAPS

Es gibt jedoch ein Haupthindernis für eine weitere Senkung der Viskosität von Schmierstoffen: Es ist der Verschleiß [7-11]. Die hydrodynamische Schmierfilmdicke ist direkt proportional zur Viskosität des Schmierstoffs. Um das hydrodynamische Schmierregime aufrechtzuerhalten, müssen daher die Spezifikationen für die Oberflächenbeschaffenheit geändert und die Ölpumpe und das Ölfiltersystem aufgerüstet werden [7]. Andernfalls ist das Risiko eines übermäßigen Verschleißes real und kann nicht ignoriert werden, siehe Abb. 5-6

Abb.5 Simulierte ΔBSFC- und Lagerzustandskarten für einen modernen Pkw-Motor (nach D.E. Sander et al. [8])

Abb. 5 zeigt die simulierte ΔBSFC-Karte für einen modernen Pkw-Motor und die simulierte Lagerzustandskarte für dieselben. In der Mitte ist die Änderung der BSFC beim Wechsel von SAE 0W-20 (linke Seite) zu 0W-8 (in der Mitte) dargestellt, der grüne Bereich entspricht einem verbesserten Kraftstoffverbrauch, der rote Bereich – einem verschlechterten Kraftstoffverbrauch. Eine Reduzierung der BSFC um bis zu 20 % ist möglich. Leider beschränkt sich der maximale Effekt auf den falschen Teil des Kennfelds: mittlere bis hohe Motordrehzahlen und niedrige Last. Diese Bedingungen gelten für einen Motor, der im Leerlauf auf Hochtouren läuft. In der Nähe des "Sweet Spots" des Motors wird der Effekt auf BSFC auf 10 % reduziert. Die problematischste Beobachtung ist jedoch der rote Bereich bei niedrigen Drehzahlen und hoher Motorlast, da dies nicht nur einen verschlechterten Kraftstoffverbrauch, sondern auch ein erhöhtes Verschleißrisiko bedeutet [5,7-12]. Dies wird durch die Hauptsimulation des Lagerzustands bestätigt.

Ähnliche Trends wurden bei Hochleistungsdieselmotoren beobachtet, siehe Abb. 6. Tatsächlich ist die Diskrepanz in diesem Fall sogar noch offensichtlicher, da der maximale Kraftstoffeinsparungseffekt bei niedriger Last und hohen Drehzahlen auftritt, während der größte Verschleiß bei hoher Last und niedriger Drehzahl in der Nähe des Motor-Sweetspots auftritt. Bei vielen Motoren beginnen die Probleme bereits beim Wechsel vom alten API CJ-4 oder seinem abwärtskompatiblen Nachfolger API CK-4 auf leichteres FA-4-Motoröl. Gleichzeitig können einige neue Motoren – z. B. von Scania und DAF – problemlos mit Ölen von 5W-20 und sogar 0W-16 verwendet werden.

Abb.6 Potentielle Verschleißprobleme bei ultraniedriger Viskosität HDEO (nach P. Klejwegt et al. [9])

Die obigen Beispiele zeigen, dass der Schmierfilm unter niedrigen Drehzahl- und Hochlastbedingungen versagen kann. Probleme bei hohen Drehzahlen sind meist mit einer unzureichenden Ölpumpenleistung verbunden und können durch den Einsatz variabler Pumpen behoben werden. Bei hohen Drehzahlen spielen auch Trägheitskräfte, die auf die Hubkolbengruppe wirken, und Kavitationseffekte eine erhöhte Rolle. Dies kann zu Problemen mit dem schmalen Ende der Schnittstelle zwischen Pleuelstange und Handgelenkbolzen und den Lagern führen. Im Allgemeinen neigen Schmierstoffe mit niedrigerer Viskosität dazu, weniger anfällig für Kavitation zu sein.

Da der hydrodynamische Film zusammenbricht, wenn keine Relativbewegung zwischen den Reibflächen stattfindet, werden die Verschleißprobleme, die mit der Einführung von niedrigviskosen Schmierstoffen verbunden sind, durch die automatische Start-Stopp-Technologie weiter verschärft [13,14]. Der Einsatz von elektrischen Ölpumpen und Wälzlagern für Nockenwelle und Ausgleichswelle hilft, das Problem zu entschärfen. Auch rollengelagerte Kurbelwellen wurden ausprobiert, aber für unpraktisch befunden.

Schmierstoffformulierungen für Kurbelgehäuse können fein abgestimmt werden, um unter bestimmten Bedingungen eine optimale Leistung zu erzielen. So kann Motoröl so ausgelegt werden, dass es bei hohen Drehzahlen und Temperaturen am besten funktioniert, wie es bei Rennsportölen der Fall ist. Rennöl wäre jedoch keine gute Wahl für Straßenfahrzeuge im Stop-and-Go-Stadtverkehr. Im Gegenteil: Man kann Motoröl so konstruieren, dass es im Stop-and-Go-Stadtverkehr am besten funktioniert, aber dann kann es sein, dass es seinen ressourcenschonenden "Donut" nicht verdient.

Im Gegensatz zu Rennölen sind Mainstream-Schmierstoffe so formuliert, dass sie eine große Anzahl unterschiedlicher Eigenschaften ausbalancieren, eine Art bewusster und unvermeidlicher Paradigmenwechsel von "in etwas der Beste sein" zu "in allem gut genug sein". Da die Kraftstoffeffizienz als äußerst wichtiger Leistungsaspekt angesehen wird – in vielen OEM-Zulassungen wird dies sogar explizit gefordert – wird sich der Übergang zu niedrigeren Viskositäten fortsetzen. Es sollte jedoch anerkannt werden, dass Kraftstoffsparöle für den Endverbraucher wirtschaftlich nicht sehr sinnvoll sind – wir sprechen von einer Kraftstoffersparnis von etwa 100 Euro im Vergleich zu einem Risiko von 1000 Euro, wenn das Öl zu dünn ist und einen übermäßigen Motorverschleiß verursacht. Der Nutzen dieser Öle kommt jedoch den Automobilherstellern zugute. Wenn ihre Fahrzeuge durch die Verwendung eines speziellen kraftstoffsparenden Schmierstoffs 1-2 % Kraftstoff einsparen können, kann dieser OEM die Höhe der Bußgelder, die er möglicherweise zahlen muss, drastisch reduzieren.

Verwendung von Reibungsmodifikatoren in Kurbelgehäuseschmierstoffen

Gestiegene Anforderungen an die Schmierstoffleistung erklären einen stetigen Anstieg des Marktanteils für synthetische Schmierstoffe in den letzten zwei Jahrzehnten. Synthetische Grundöle haben mehrere Vorteile: bessere Eigenschaftskonsistenz, höhere Oxidationsstabilität, bessere Fließeigenschaften bei niedrigen Temperaturen, geringe Flüchtigkeit usw., siehe Abb. 7 In Kombination mit den richtigen Additiven können synthetische Grundöle zur Herstellung von Schmierstoffen mit hervorragenden Eigenschaften verwendet werden. Eine Art von Additiven verdient besondere Erwähnung, wenn es um kraftstoffsparende Motorenöle geht: Reibungsmodifikatoren. Reibungsmodifikatoren sind ein unverzichtbares Werkzeug für das "Smart Oil Engineering", siehe Abb. 3.

Abb.7 Migration hin zu kraftstoffsparendem vollsynthetischem Motoröl

Reibungsmodifikatoren können grob in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden: (1) partikuläre Systeme (PTFE, Graphit, Graphen, MoS2, WS2, IF-WS2, Nanoborsäure, Kupfer/Kupferoleat-Nanopartikel usw.); (2) Adsorptionsschichtbildungssysteme, die ihrerseits monomolekular (Glycerinmonooleat, Sorbitanmonooleat, Fetttriglyceride, Ester von Hydroxycarbonsäuren, Phosphatester, Boratester, Fettsäuren, Fettamide, Fettamine, schwefelhaltige Fette usw.) und polymer (Methacrylate, Polyester, Polyether, Polyamide, polymerisierte Pflanzenöle usw.) sein können. Der Hauptvorteil von Partikelsystemen liegt in ihrer relativ hohen chemischen Stabilität, während ihr Hauptnachteil die Neigung zur Trennung ist. Partikelsysteme neigen dazu, die Schmierstoffformulierung undurchsichtig aussehen zu lassen, was nicht immer akzeptabel ist. Ein System zur Modifizierung der Partikelreibung wird z. B. im Motoröl-Additivpaket Lubrizol 21307 verwendet. Adsorptionsschichtbildungssysteme gibt es viele: Es gibt Hunderte von kommerziellen Produkten auf dem Markt.

Der Hauptunterschied zwischen monomolekularen und polymeren Reibungsmodifikatoren ist die Kompaktheit der adsorbierten Schichten. Während monomolekulare OFMs dazu neigen, dichte "bürstenartige" Molekülschichten zu erzeugen, produzieren polymere OFMs "gelartige" Adsorptionsschichten. Diese Schichten bewirken eine Abstoßung zwischen den Oberflächen – genau wie polymere Dispergiermittel – und tragen zum sogenannten "Superschmiereffekt" bei: Sie neigen dazu, die Strebek-Kurve nach links zu verschieben, indem sie den Bereich der Vollfilmschmierung in Richtung höherer Lasten erweitern [2,16]. Sie verringern jedoch nicht unbedingt die Reibung in der Vollfilmschmierung.

Dicht gepackte bürstenartige Strukturen scheinen in Labortests wie HFRR, Pin-on-Disk, Cameron-Plint, MTM usw. den besten reibungsreduzierenden Effekt zu erzielen. Auf der anderen Seite neigen sie eher dazu, andere oberflächenaktive Spezies aufgrund der kompetitiven Adsorption zu verdrängen. Zum Beispiel kann Glycerylmonooleat Molybdänphosphorthioat effektiv von der Oberfläche verdrängen. Aus dem gleichen Grund verlieren Molybdän-Additive an Effizienz, wenn sie in Kombination mit bestimmten Ester-Grundölen eingesetzt werden.

Gemischte Systeme können Supraschmierung mit Grenzschmierfähigkeit kombinieren. Zum Beispiel enthält polymerisiertes Pflanzenöl in der Regel geringe Mengen an Fettsäuren und partiellen Glycerinestern. Die polymeren Moleküle sorgen für eine sterische Abstoßung zwischen den Reibflächen, während Fettsäuren und partielle Glycerinester die Grenzschmierfähigkeit erhöhen [17]. Viele kommerzielle OFM-Systeme weisen die gleiche Eigenschaft auf (z. B. Perfad 3000 von Croda). Diese Art von Verhalten kann in Labortests leicht simuliert werden, indem gängige VI-Verbesserer wie PIB oder Polystyrol mit Glycerinmonooleat oder Sorbitanmonooleat kombiniert werden.

Oberflächengelbildende OFMs sind weniger anfällig für kompetitive Adsorption, da sie weniger "Anker" pro Flächeneinheit haben. Dies ermöglicht es, Formulierungen zu entwickeln, die günstige Extremdruckeigenschaften mit dem Effekt der "Supraschmierung" kombinieren. siehe z.B. Abb. 8 [18].

Ein ähnlicher Supraschmiereffekt kann beim Gehen auf den rutschigen Felsen der Küste erlebt werden. Der auf den Felsen wachsende Algenschleim hält eine ausreichend dicke Wasserschicht zurück, die als Schmiermittel zwischen den Füßen und der Felsoberfläche wirkt. Ohne diesen Schleim würde die Wasserfilmstärke nicht ausreichen, um Ihre Füße zu stützen. Adsorptionsschichten, die durch solche oberflächengelbildenden Supraschmieradditive gebildet werden, sind viskoelastisch (oder pseudoplastisch) und haben einen vorteilhaften tribologischen Effekt, da sie Reibung und Verschleiß sowie die damit verbundene Energiedissipation und Geräuschanregung reduzieren. Sie helfen auch bei der Lösung von Feinstaub, indem sie als polymere Dispergiermittel wirken. Die Trennkraft zwischen zwei Oberflächen in Gegenwart solcher Additive kann mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie direkt gemessen werden, Abb. 9 [13]

Abb.8 Ein synergistisches Reibungsmodifikatorsystem, das einen polymeren Reibungsmodifikator und ein Molybdänadditiv enthält [18]

Abb.9 AFM-Messungen, die die Abstoßungskraft aufgrund der Oberflächengelschicht zeigen, die durch ein oberflächenaktives Blockcopolymer-Supraschmieradditiv [13]

öllösliche anorganische Reibungsmodifikatoren, wie Molybdändi(2-ethylhexyl)phosphorodithioate, Fettamide von Molybdän- und Wolframsäuren, Antimondialkylphosphordithioat, Boratester können auf zwei verschiedene Arten wirken: Zum einen wirken sie durch Adsorption – und ihre Affinität zu den Metalloberflächen ist in der Regel höher als bei OFMs. Zweitens können sie unter extremen Druck- und/oder Scherbedingungen eine Tribomutation durchlaufen, bei der sich Festschmierschichten an den berührenden Reibflächen ablagern. So werden Molybdänderivate in MoS2, Wolfram – in WS2, Borat – in Borsäure usw. umgewandelt. Dabei spielen anorganische Reibungsmodifikatoren eine wesentliche Rolle im Einlaufprozess [19]. Diese Eigenschaft dient auch als Grundlage für die mechanochemische Oberflächenveredelung [20] und führt zu reduzierter Reibung und Verschleiß, siehe Abb.10.

Abb.10 Einfluss von ZDDP und anorganischen Reibungsmodifikatoren auf die Ventiltriebsreibung (nach Ashworth et al. [21])

Einfluss von Motoröl auf die Motorreibung für verschiedene Motorkonstruktionen

Wie bereits in der Einleitung erwähnt, trägt der Wechsel zu einem Schmierstoff mit niedrigerer Viskosität dazu bei, die Motorreibung zu reduzieren. Dies lässt sich am besten anhand von motorisierten Motorsystemen veranschaulichen [4,13]. Die Abb. 11-13 zeigen die Reibmomentdaten für zwei verschiedene Benzinmotoren. Für den Bau der Bohrinseln wurden gebrauchte, aber funktionstüchtige 2L i4-Motoren verwendet. Die Bohrinseln wurden drucklos betrieben, wobei eine externe pulslose elektrische Ölpumpe zur Ölversorgung verwendet wurde. Außerdem wurde ein schweres Schwungrad verwendet, um das Datenrauschen zu reduzieren. Der Hauptunterschied zwischen den Motoren war die Oberfläche der Zylinderbohrung: gehontes Gusseisen vs. thermisch gespritztes Eisen, und der Ventiltriebstyp: direkt wirkende mechanische Schaufel (DAMB) vs. Rollenschlepper (RFF).

Abb. 11 zeigt den Einfluss der Öltemperatur auf die Motorreibung. Erwartungsgemäß ist eine niedrigere Öltemperatur mit einer höheren Reibung verbunden. Für die ältere Motorenausführung (Motor A: Ford Duratec) unter Verwendung herkömmlicher Zylinderbohrungen aus Gusseisen und eines DAMB-Ventiltriebs kommt es zu einem leichten Anstieg der Reibung im unteren Drehzahlbereich: Dies ist auf den hydrodynamischen Schmierfilmkollaps und eine übermäßige Grenzreibung im Ventiltrieb und in der hin- und hergehenden Gruppe zurückzuführen. Für die neuere Motorenkonstruktion (Motor B: Mercedes Benz M133) mit spritzbeschichteten Bohrungen und RFF-Ventiltrieb ist das Reibmoment nahezu linear von der Motordrehzahl abhängig. Dies zeigt, dass das neue Design es ermöglicht, Grenzreibung effektiv zu vermeiden.

Abb. 12 zeigt den Einfluss der Ölviskositätsklasse bei einer Arbeitstemperatur von 90 °C. Der Wechsel von der alten SAE 10W-40-Klasse zu 0W-16 ermöglicht eine fast zweifache Reduzierung der Motorreibung bei hohen Drehzahlen. Der Effekt wird jedoch immer geringer, wenn die Drehzahl niedriger ist. Interessant ist, dass bei älteren Motoren das Öl mit der niedrigsten Viskosität die höchste Reibung im unteren Drehzahlbereich ergibt. Dies zeigt einmal mehr, dass der hydrodynamische Schmierfilmkollaps ein echtes Problem darstellen kann.

Schließlich zeigt Abb. 13, wie die Motorreibung auf die Verwendung eines Reibungsmodifikators in der Schmierstoffformulierung reagiert. Man sieht, dass der Motor mit einem DAMB-Ventiltrieb und konventionellen Zylinderbohrungen aus Gusseisen mehr Nutzen aus dem Einsatz von Reibungsmodifikatoren zieht als der Motor mit RFF-Ventiltrieb und thermisch gespritzten Bohrungen. Dies zeigt, dass der Einsatz von Reibungsmodifikatoren nur dann sinnvoll ist, wenn die Grenzreibung einen wesentlichen Beitrag zum Gesamtenergieverlust leistet.

Abb.11 Der Einfluß der Öltemperatur auf die Motorreibung: l.h.s. - Motor A, r.h.s. - Motor B.

Abb.12 Der Einfluß der Ölviskosität auf die Motorreibung bei 90°C: l.h.s. - Motor A, r.h.s. - Motor B.

Abb.13 Die Wirkung des Molybdän-Reibungsmodifikators auf die Motorreibung: l.h.s. - Motor A, r.h.s. - Motor B.

Es ist wichtig zu verstehen, dass verschiedene Reibungsmodifikatoren miteinander um freie Oberflächen konkurrieren können, und sie können auch mit einer anderen wichtigen Klasse von Additiven konkurrieren, die ausnahmslos in Kurbelgehäuseschmierstoffformulierungen vorhanden sind – den Detergenzien [22]. Infolgedessen können zwei verschiedene Ölformulierungen mit genau den gleichen viskosimetrischen Eigenschaften immer noch unterschiedliche Kraftstoffeinsparungen aufweisen, obwohl die Abweichungen selten 1 Prozent überschreiten.

Einige Erkenntnisse über Hybridantriebe

Hybridantriebe bringen neue Herausforderungen für Ölformulierer mit sich: Da der Verbrennungsmotor während des Fahrzeugbetriebs nicht permanent zündet, kann es sein, dass er die Betriebstemperatur nicht erreicht. Dies schafft Bedingungen für die Kondensation von Wasser an den Wänden des Leistungszylinders, gefolgt von einer Wasseransammlung im Kurbelgehäuse. Da OFMs oberflächenaktiv sind, tragen sie dazu bei, Wasser zu lösen und vom Kurbelgehäuse wegzutreiben. Die Steuerelektronik des Antriebsstrangs muss den Verbrennungsmotor in Intervallen einschalten, um das Öl zu erhitzen und überschüssiges Wasser zu verdampfen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt, warum OFMs für Motoröle für Hybridautos so wichtig sind, ist die zusätzliche Kraftstoffeinsparung. Hybride neigen dazu, Schmierstoffe mit niedriger und ultraniedriger Viskosität zu verwenden: von 0W-20 (Volvo, Mercedes) bis hinunter zu 0W-8 (Honda). Die Viskosität des Öls hat den dominierenden Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch in der Grenze zwischen hoher Drehzahl und niedriger Last. Dieses Betriebsregime ist jedoch im wirklichen Leben relativ unwichtig. Auf der anderen Seite tragen OFMs dazu bei, den Kraftstoffverbrauch in der Grenze zwischen niedriger Drehzahl und hoher Last zu verbessern, die näher am Sweet Spot des Motors liegt und aus praktischer Sicht am interessantesten ist. Darüber hinaus tragen OFMs dazu bei, die Abhängigkeit von anorganischen Reibungsmodifikatoren zu minimieren, die für die Abgaskontrollgeräte potenziell schädlich sein können. Abb. 14 zeigt, dass organische Reibungsmodifikatoren in Bezug auf die reibungsreduzierende Wirkung erfolgreich mit MoDTC konkurrieren können.

Abb.14 MTM-Testdaten zum Vergleich von zwei kommerziellen organischen Reibungsmodifikatoren mit MoDTC in PAO-Grundöl. Folgende Testbedingungen wurden verwendet: SRR 50%, Last 36N, Temperatur 100oC.

Last but not least: Polymere OFMs funktionieren gut in Kombination mit öllöslichen Polyether- (OSP) und Estergrundölen, die häufig in ultraniedrigviskosen Schmierstoffen (0W-8 und 0W-12) verwendet werden, während sich Molybdänadditive in diesem Fall als weniger effizient erweisen.

In Japan begann die Umstellung auf SAE 0W-20-Öl bereits um 1980, und das erste SAE 0W-16-ähnliche Produkt (zu dieser Zeit gab es noch keine J300-Bezeichnungen für Viskositätsklassen unter SAE 20) wurde 2010 eingeführt. Heutzutage fördern Honda und Toyota aktiv die SAE 0W-8-Technologie, die im Durchschnitt 3-4 % des Kraftstoffverbrauchs gegenüber SAE 0W-20 verbessert. Der neue JASO Fuel Economy Test wurde entwickelt und wird möglicherweise den bestehenden Sequence VIF in der zukünftigen ILSAC GF-7-Spezifikation ersetzen. Die Entwicklung der neuen Norm – bekannt als JASO M364:2019 – und der Ölspezifikation – JASO GLV-1 – wurde 2019 abgeschlossen [23]. Für den Kraftstoffverbrauchstest kann entweder der zündende Toyota 2ZR-FXE 1.8L Motor oder der motorisierte Nissan MR20DD 2.0L Motor verwendet werden. Die vorgeschlagenen Kraftstoffverbrauchsgrenzwerte für die neue JASO GLV-1-Spezifikation betragen >1,1 % (Feuerung) und >2,0 % (motorisiert) im Vergleich zu SAE 0W-16-Referenzöl. ILSAC GF-7 wird wahrscheinlich nicht vor 2025 kommen - wenn überhaupt, unter Berücksichtigung aller Hürden, Verzögerungen, unerschwinglichen Kosten und des begrenzten Nutzens der ILSAC GF-6-Kategorie.

Abschließende Bemerkungen

Motoröl ist ein wichtiges Element bei der Entwicklung reibungsarmer Antriebsstränge. Die Umstellung auf niedrigviskoses Motorenöl ist eine effiziente Möglichkeit, Reibungsverluste bei Verbrennungsmotoren zu reduzieren. Niedrigviskose Öle neigen jedoch dazu, den Verschleißschutz zu beeinträchtigen, was den Einsatz von Reibungsmodifikatoren und verschleißhemmenden Additiven in Kurbelgehäuseschmierstoffformulierungen erforderlich macht. Zusammen mit einer breiteren Akzeptanz von synthetischen Grundölen wird erwartet, dass Reibungsmodifikatoren in Zukunft eine immer wichtigere Rolle spielen werden.

Interessenkonflikt

Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit von kommerziellen oder finanziellen Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

Autorenbeiträge

Boris Zhmud steht hinter der allgemeinen Artikelidee und den Forschungsdaten. Arthur Coen und Karima Zitouni haben zu dem Abschnitt über die Verwendung verschiedener Klassen von Reibungsmodifikatoren beigetragen.

Danksagungen

Robert Ian Taylor wird für die anregenden Diskussionen und Kommentare zu den Reibungstests von Motormotoren gedankt. Peter Klejwegt wird dafür gedankt, dass er seine Erfahrungen mit kraftstoffsparendem Motorenöl für Schwerlastanwendungen geteilt hat.

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