Λάδια κινητήρα οικονομίας καυσίμου: Επιστημονικό σκεπτικό και αντιπαραθέσεις

Δεδομένου ότι ένα σημαντικό μέρος των ενεργειακών απωλειών στον κινητήρα εσωτερικής καύσης προέρχεται από ιξώδη διάχυση, η τάση έχει μετατοπιστεί προς λάδια χαμηλού ιξώδους από SAE 40 και 50 στη δεκαετία του 1960-1980 σε τρέχοντα SAE 20 και χαμηλότερους βαθμούς ιξώδους. Η χρήση λιπαντικών κινητήρα χαμηλού ιξώδους μειώνει σημαντικά τις απώλειες ενέργειας στα κύρια συστήματα ρουλεμάν και εμβόλου/οπής, ενώ οι τριβολογικές καταπονήσεις στο σύστημα βαλβίδων - ειδικά σε κινητήρες με έκκεντρο επίπεδης τάπας - ενδέχεται να αυξηθούν. Αυτό αποτελεί ισχυρό επιχείρημα για την ανάπτυξη νέων κατηγοριών τροποποιητών τριβής και προσθέτων κατά της φθοράς. Ωστόσο, η ανάπτυξη μιας ισορροπημένης σύνθεσης δεν είναι τόσο απλή όσο φαίνεται και μπορεί να προκύψουν πολλές παγίδες λόγω των αλληλεπιδράσεων προσθέτων. Ένα άλλο σοβαρό πρόβλημα είναι ότι ο ορισμός του "λαδιού κινητήρα οικονομίας καυσίμου" είναι μάλλον ασαφής, καθώς εξαρτάται από την επιλογή του λαδιού αναφοράς. Σήμερα, η αξιολόγηση της οικονομίας καυσίμου βασίζεται στις δοκιμές Sequence VIE ή VIF χρησιμοποιώντας έναν βενζινοκινητήρα GM V6 3.6L του 2012. Δεν είναι απροσδόκητο το γεγονός ότι τα αποτελέσματα αυτής της δοκιμής αποδεικνύονται σε μεγάλο βαθμό παραπλανητικά όταν προεκτείνονται σε σύγχρονους κινητήρες χαμηλού κυβισμού με μεγάλη ενίσχυση. Ως εκ τούτου, υπάρχουν επίσης πολλές δοκιμές οικονομίας καυσίμου ειδικά για OEM και διαφορετικά σχέδια κινητήρων συχνά παράγουν αμφιλεγόμενα αποτελέσματα. Επιπλέον, η απόδοση «οικονομίας καυσίμου» του ίδιου λιπαντικού στον ίδιο κινητήρα μπορεί να αλλάξει δραματικά ανάλογα με τον κύκλο οδήγησης. Για παράδειγμα, το λάδι χαμηλού ιξώδους μπορεί να ενισχύσει την οικονομία καυσίμου σε ταχύτητες πλεύσης (όριο υψηλής ταχύτητας / χαμηλού φορτίου) και να υποβαθμίσει την οικονομία καυσίμου κατά την επιθετική οδήγηση στην πόλη (χαμηλή ταχύτητα / υψηλό φορτίο).

Όλες οι προαναφερθείσες περιστάσεις πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά την προσπάθεια εναρμόνισης των κανονιστικών ισχυρισμών απόδοσης με τις προσδοκίες των πελατών.

Introduction

Τα νέα πρότυπα οικονομίας καυσίμου για τα αυτοκίνητα που θεσπίστηκαν από τις κυβερνήσεις στις μεγάλες οικονομίες της G20 και η αλλαγή στις προτιμήσεις των πελατών λόγω των υψηλών τιμών των καυσίμων μαζί με τους φόρους άνθρακα ασκούν αυξημένη πίεση στους κατασκευαστές αυτοκινήτων. Στις ΗΠΑ, η Εθνική Υπηρεσία Οδικής Ασφάλειας (NHTSA) και η Υπηρεσία Προστασίας του Περιβάλλοντος (EPA) εξέδωσαν πρόσφατα τον κανόνα για ασφαλέστερα προσιτά αποδοτικά καύσιμα (SAFE) οχήματα, ο οποίος θέτει αυστηρά πρότυπα οικονομίας καυσίμου και διοξειδίου του άνθρακα. Αυτά τα πρότυπα ισχύουν για τα επιβατικά αυτοκίνητα και τα ελαφρά φορτηγά και θέτουν έναν κινούμενο στόχο που πρόκειται να αυξηθεί κατά 1,5% σε αυστηρότητα κάθε χρόνο από τα έτη μοντέλου 2021 έως το 2026. Αξίζει να σημειωθεί ότι, αναγνωρίζοντας τις πραγματικότητες της αγοράς, ο πήχης προσδοκιών έχει μειωθεί στα 40,4 mpg που προβλέπεται συνολικός μέσος όρος της βιομηχανίας που απαιτείται οικονομία καυσίμου το MY 2026, σε σύγκριση με την προβλεπόμενη απαίτηση 46,7 mpg σύμφωνα με τα πρότυπα του 2012. Το τελευταίο ήταν και πάλι χαμηλότερο από τους αρχικούς στόχους EPA του 2025 των 62 mpg που ανακοινώθηκαν πριν από μια δεκαετία - το οποίο λίγο αργότερα μειώθηκε σε 56 mpg.

Αυτό δείχνει ότι η πρόοδος είναι μάλλον επώδυνη και οι υπερβολικά φιλόδοξοι στόχοι μπορεί να μην επιτευχθούν χωρίς μια σταθερή τεχνολογική βάση και ισχυρά οικονομικά κίνητρα για την προώθηση της αλλαγής.

Άλλες αγορές ακολουθούν την ίδια τάση, βλ. Σχήμα 1.

Εικ.1 Σύγκριση προτύπων οικονομίας καυσίμου σε βασικές αγορές οχημάτων (Πηγή: ICCT, Σεπτέμβριος 2019)

Στην Ευρώπη, το Ευρωπαϊκό Κοινοβούλιο και το Συμβούλιο εξέδωσαν τον κανονισμό (ΕΕ) 2019/631 που καθορίζει πρότυπα επιδόσεων για τις εκπομπές CO2 από καινούργια επιβατικά αυτοκίνητα και νέα ημιφορτηγά για το 2025 και το 2030. Από το 2021, ο στόχος μέσων εκπομπών για το σύνολο του στόλου οχημάτων της ΕΕ ορίζεται σε 95 g CO2/km. Αυτό αντιστοιχεί σε κατανάλωση καυσίμου περίπου 4,1 l / 100 km (57,4 mpg) βενζίνης ή 3,6 l / 100 km (65,3 mpg) ντίζελ. Οι σημερινές μέσες εκπομπές CO2 για τα καινούργια αυτοκίνητα που πωλούνται στην ΕΕ είναι περίπου 120 g CO2/km. Οι κατασκευαστές αυτοκινήτων πληρώνουν το πρόστιμο είναι 95 ευρώ για κάθε g/km που υπερβαίνει τον στόχο.

Τα νέα πρότυπα οικονομίας καυσίμου της Ιαπωνίας που εκδόθηκαν πριν από ένα χρόνο έθεσαν ως στόχο για μέση οικονομία καυσίμου ισοδύναμου βενζίνης στόλου στα 25,4 χιλιόμετρα ανά λίτρο (59,8 mpg) έως το 2030, περίπου 30% βελτίωση σε σχέση με τον σημερινό μέσο όρο του στόλου.

Αυτοί οι πολιτικοί και οικονομικοί παράγοντες εντείνουν τις προσπάθειες έρευνας και ανάπτυξης που καταβάλλουν οι μεγάλοι κατασκευαστές πρωτότυπου εξοπλισμού στην προσπάθειά τους για καλύτερη απόδοση καυσίμου. Εκτός από τις συντονισμένες προσπάθειες για την ηλεκτροκίνηση των κινητήρων και τη χρήση εναλλακτικών πηγών ενέργειας για τη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου (GHG), δίνεται μεγάλη έμφαση στην κατανόηση των τριβολογικών πτυχών των ενεργειακών απωλειών στο σύστημα μετάδοσης κίνησης και στην αξιοποίηση των τρεχουσών εξελίξεων στη μηχανική λίπανσης και τις επιστρώσεις για την ελαχιστοποίηση αυτών των απωλειών. Για να ενθαρρυνθεί αυτή η οικολογική καινοτομία, χορηγούνται στους κατασκευαστές «πιστωτικά μόρια εκπομπών» για την ανάπτυξη καινοτόμων τεχνολογιών οι οποίες θα πρέπει - βάσει ανεξάρτητα επαληθευμένων δεδομένων - να οδηγήσουν σε μειωμένες εκπομπές CO2, ακόμη και αν η διαδικασία δοκιμής που χρησιμοποιείται για την έγκριση τύπου οχήματος δεν αποδεικνύει κανένα αποτέλεσμα. Εκτός αυτού, οι κατασκευαστές λαμβάνουν «πιστωτικά υπερμόρια» για τη διάθεση στην αγορά αυτοκινήτων μηδενικών και χαμηλών εκπομπών (BEV, PHEV) που εκπέμπουν λιγότερο από 50 g CO2/km.

Το κόστος ανάπτυξης, το κόστος υλικών και το κόστος παραγωγής είναι πάντα σημαντικοί παράγοντες όταν πρέπει να αξιολογηθεί το δυναμικό της αγοράς της μιας ή της άλλης προσέγγισης.

Περίπου το ένα τρίτο της κατανάλωσης καυσίμου στα αυτοκίνητα οφείλεται σε απώλειες τριβής [1] με την τριβή του κινητήρα να είναι ένας από τους κύριους ενόχους, βλ. Σχήμα 2.