Motorna ulja s ekonomičnošću goriva: Znanstveno obrazloženje i kontroverze

Abstract

Budući da značajan dio gubitaka energije u motoru s unutarnjim izgaranjem dolazi od rasipanja viskoznosti, trend se pomaknuo prema uljima niske viskoznosti sa SAE 40 i 50 u 1960-ima-1980-ima na trenutni SAE 20 i niže stupnjeve viskoznosti. Korištenje motornih ulja niske viskoznosti značajno smanjuje gubitke energije u glavnim sustavima ležajeva i klipa/provrta, dok se tribolološka naprezanja na ventilskom sklopu - posebno u motorima s ravnim dodirom - mogu povećati. To daje snažan argument za uvođenje novih klasa modifikatora trenja i aditiva protiv odjeće. Međutim, razvoj uravnotežene formulacije nije tako jednostavan kao što se čini, a brojne zamke mogu se susresti zbog aditivnih interakcija. Drugi ozbiljan problem je što je definicija "motornog ulja s ekonomičnošću goriva" prilično nejasna, jer ovisi o izboru referentnog ulja. Danas se procjena ekonomičnosti potrošnje goriva temelji na testovima slijeda VIE ili VIF pomoću benzinskog motora GM V6 iz 2012. godine. Nije neočekivano da se rezultati ovog testa u velikoj mjeri dovode u zabludu kada se ekstrapoliraju na moderne, snažno pojačane motore niskog pomaka. Stoga postoje i mnoga ispitivanja ekonomičnosti potrošnje goriva specifična za OEM, a različiti dizajni motora često daju kontroverzne rezultate. Nadalje, performanse "ekonomičnosti potrošnje goriva" istog ulja u istom motoru mogu se dramatično promijeniti ovisno o ciklusu vožnje. Na primjer, ulje niske viskoznosti može potaknuti ekonomičnost potrošnje goriva pri brzinama krstarenja (ograničenje velike brzine / malog opterećenja) i smanjiti ekonomičnost goriva tijekom agresivne gradske vožnje (mala brzina / veliko opterećenje).

Sve gore navedene okolnosti treba uzeti u obzir pri pokušaju usklađivanja normativnih zahtjeva za izvedbu s očekivanjima kupaca.

Uvod

Novi standardi ekonomičnosti potrošnje goriva za automobile koje su podigle vlade u glavnim gospodarstvima skupine G20 i promjene preferencija kupaca potaknute visokim cijenama goriva zajedno s porezima na ugljik povećavaju pritisak na proizvođače automobila. U SAD-u su Nacionalna uprava za sigurnost prometa na cestama (NHTSA) i Agencija za zaštitu okoliša (EPA) nedavno izdale Pravilo o sigurnijim pristupačnim štedljivim vozilima s učinkovitom potrošnjom goriva (SAFE) koje postavlja stroge standarde ekonomičnosti potrošnje goriva i ugljičnog dioksida. Ti se standardi primjenjuju na osobne automobile i lake kamione i postavljaju pokretni cilj koji će se svake godine povećavati za 1,5 % od modelskih godina 2021. do 2026. Važno je napomenuti da je, prepoznajući stvarnost tržišta, traka očekivanja spuštena na 40,4 mpg projiciranog ukupnog prosjeka industrije potrebne potrošnje goriva u MY 2026, u usporedbi s predviđenim zahtjevom od 46,7 mpg prema standardima iz 2012. godine. Potonje je ponovno bilo niže od početnih ciljeva SGP-a za 2025. od 62 mpg najavljenih prije deset godina, što je ubrzo smanjeno na 56 mpg.

To pokazuje da je napredak prilično bolan i da se preambiciozni ciljevi možda neće postići bez čvrstih tehnoloških temelja i snažnih financijskih poticaja za poticanje promjene.

Druga tržišta slijede isti trend, vidi sliku 1.

Sl.1 Usporedba standarda ekonomičnosti potrošnje goriva na ključnim tržištima vozila (Izvor: ICCT, rujan 2019.)

U Europi su Europski parlament i Vijeće donijeli Uredbu (EU) 2019/631 kojom se utvrđuju standardi performansi emisija CO2 za nove osobne automobile i nove kombije za 2025. i 2030. Od 2021. prosječna ciljna vrijednost emisija novih automobila na razini voznog parka EU-a iznosi 95 g CO2/km. To odgovara potrošnji goriva od oko 4,1 l/100 km (57,4 mpg) benzina ili 3,6 l/100 km (65,3 mpg) dizela. Današnje prosječne emisije CO2 za nove automobile koji se prodaju u EU-u iznose oko 120 g CO2/km. Proizvođači automobila plaćaju kaznu u iznosu od 95 eura za svaki g/km koji premašuje cilj.

Novi japanski standardi za potrošnju goriva izdani prije godinu dana postavili su cilj za prosječnu ekonomiju goriva ekvivalentnu benzinu flote na 25,4 kilometra po litri (59,8 mpg) do 2030., što je oko 30% poboljšanja u odnosu na današnji prosjek flote.

Ti politički i gospodarski čimbenici pojačavaju napore u području istraživanja i razvoja koje poduzimaju glavni OEM-ovi u potrazi za boljom učinkovitošću goriva. Osim zajedničkih napora na elektrifikaciji pogonskog sklopa i korištenja alternativnih izvora energije za smanjenje emisija stakleničkih plinova, veliki naglasak stavlja se na razumijevanje tribololoških aspekata gubitaka energije u pogonskom sklopu i korištenje trenutnog napretka u inženjerstvu podmazivanja i premazima kako bi se ti gubici sveli na najmanju moguću mjeru. Kako bi se potaknule takve ekološke inovacije, proizvođačima se odobravaju "emisijski krediti" za uvođenje inovativnih tehnologija koje bi, na temelju neovisno provjerenih podataka, trebale dovesti do smanjenja emisija CO2 iako postupak ispitivanja koji se upotrebljava za homologaciju tipa vozila ne pokazuje nikakav učinak. Osim toga, proizvođačima se odobravaju "super krediti" za stavljanje na tržište automobila s nultim i niskim emisijama (BEV, PHEV) koji emitiraju manje od 50 g CO2/km.

Troškovi razvoja, materijalni troškovi i troškovi proizvodnje uvijek su važni čimbenici pri procjeni tržišnog potencijala jednog ili drugog pristupa.

Otprilike jedna trećina potrošnje goriva u automobilima posljedica je gubitaka trenja [1] pri čemu je trenje pogonskog sklopa jedan od glavnih krivaca, vidi sliku 2.

Sl.2 Gubici energije u osobnim automobilima (Izvor: www.fueleconomy.gov)

Stoga se razvoj pogonskih sklopova s niskim trenjem smatra važnim ciljem [1-3].

Vjeruje se da uloga motornog ulja u razvoju pogonskog sklopa s niskim trenjem

Vjeruje se da automobilski motori rade pretežno u hidrodinamičkom režimu [4-6]. Stoga se smanjenjem viskoznosti maziva može smanjiti trenje motora i poboljšati ekonomičnost potrošnje goriva u vozilu. Sl. 3 objašnjava kako ova strategija funkcionira: na lijevoj strani prikazana je stvarna krivulja zakretnog momenta tipičnog proizvodnog 1,6L GDI motora, a na desnoj strani prikazana je krivulja zakretnog momenta trenja za isti motor izmjerena pomoću motorne platforme. Trenje "pojede" oko 1/10 korisnog okretnog momenta koji motor može proizvesti. Činjenica da se okretni moment trenja povećava s brzinom motora dokazuje hidrodinamički režim podmazivanja. Stoga promjena na mazivo niže viskoznosti pomaže u smanjenju zakretnog momenta trenja pri velikom broju okretaja u minuti.

Sl.3 Krivulja zakretnog momenta (l.h.s.) i krivulja zakretnog momenta trenja (r.h.s.) za proizvodni 1.6L i4 GDI motor. Prikazane su i primarne inženjerske strategije za smanjenje trenja.

U posljednja dva desetljeća postoji stalan trend prema mazivima niže viskoznosti, vidi Sl. 4. Stoga je standard SAE J300 revidiran 2015. godine kako bi uključivao tri nova stupnja lakše viskoznosti, SAE 16, 12 i 8. Teže PCMO razrede SAE xW-40, xW-50 i xW-60 postaju nišni proizvodi. Specifikacija ILSAC GF-6 ne uključuje čak ni viskoznosti iznad SAE 30. Maziva za automobilsku opremu slijede primjer: Standard SAE J306 revidiran je 2019. godine dodajući SAE 75, 70 i 65 stupnjeva viskoznosti.

Za osobne automobile promjena s naslijeđenog stupnja SAE 10W-40 na 0W-20 donosi u prosjeku 5% poboljšanja ekonomičnosti potrošnje goriva u uvjetima ispitivanja WLTP-a, a naknadna migracija na 0W-8 može donijeti dodatnih 5%, pod uvjetom da hardver motora može sigurno podnijeti tako nisku viskoznost. Za teške kamione učinak je mnogo manji: prelaskom s naslijeđenog SAE 15W-40 na 5W-20 štedi se ne više od 2% u uvjetima ESC-a, a još manje pod uvjetima ETC-a. Mnogi stariji HDDE dizajni nisu sposobni raditi s uljem niske viskoznosti.

Sl.4 Kontinuirani trend smanjenja viskoznosti i nižih SAPS maziva

Međutim, postoji primarna prepreka za daljnje smanjenje viskoznosti maziva: to je trošenje [7-11]. Debljina hidrodinamičkog filma za podmazivanje izravno je proporcionalna viskoznosti maziva. Stoga će se za održavanje hidrodinamičkog režima podmazivanja morati izmijeniti specifikacije završne obrade površine i nadograditi pumpa za ulje i sustav filtracije ulja [7]. Bez toga je rizik od prekomjernog trošenja stvaran i ne može se zanemariti, vidi Slike 5-6

Sl.5 Simulirani ΔBSFC i sa zdravstvenim kartama za moderni motor osobnih automobila (nakon D.E. [8])

Sl. 5 prikazuje simuliranu ΔBSFC kartu za moderni motor osobnih automobila i simuliranu kartu zdravlja ležaja za istu. U sredini je prikazana promjena BSFC-a pri promjeni sa SAE 0W-20 (lijeva strana) na 0W-8 (u sredini), zelena površina koja odgovara poboljšanoj ekonomičnosti potrošnje goriva, crveno područje - na degradiranu potrošnju goriva. Do 20% smanjenja BSFC-a je izvedivo. Nažalost, maksimalni učinak ograničen je na pogrešan dio karte: srednje do velike brzine motora i malo opterećenje. Takvi se uvjeti primjenjuju na motor koji se okreće u praznom hodu. Blizu motora "slatko mjesto", učinak na BSFC je smanjen na 10%. Međutim, najproblematičnije opažanje je crveno područje pri niskom broju okretaja u minuti i velikom opterećenju motora, jer to ne znači samo degradiranu ekonomičnost potrošnje goriva, već i povišen rizik od trošenja [5,7-12]. To potvrđuje i glavna simulacija zdravlja ležaja.

Slični su trendovi uočeni i za teške dizelske motore, vidi sliku 6. Zapravo, neusklađenost je u ovom slučaju još očitija, jer maksimalni učinak uštede goriva dolazi pri malom opterećenju i velikom broju okretaja u minuti, dok se najviše trošenja događa pri velikom opterećenju i maloj brzini, blizu slatkog mjesta motora. Za mnoge motore problemi počinju već pri prelasku s naslijeđenog API CJ-4 ili njegovog nasljednika kompatibilnog sa starijim verzijama API CK-4 u lakše motorno ulje FA-4. Istodobno, neki novi motori - npr. tvrtke Scania i DAF - mogu sigurno koristiti ulja lagana kao 5W-20, pa čak i 0W-16.

Fig.6 Potencijalni problemi s trošenjem s ultraniskom viskoznošću HDEO (nakon P. Klejwegt i sur. [9])

Gornji primjeri pokazuju da pod malom brzinom - uvjeti velikog opterećenja mogu propasti film podmazivanja. Problemi pri velikoj brzini uglavnom su povezani s neadekvatnim kapacitetom pumpe za ulje i mogu se riješiti pomoću varijabilnih crpki. Pri velikim brzinama motora, inercijske sile koje djeluju na klipnu skupinu i kavitacijski učinci također igraju povećanu ulogu. To može uzrokovati probleme s malim krajem sučelja i ležajeva klipnjače/zapešća. Općenito, maziva niže viskoznosti obično su manje sklona kavitaciji.

Budući da se hidrodinamički film urušava kada nema relativnog kretanja između površina za trljanje, problemi s trošenjem povezani s uvođenjem maziva niske viskoznosti dodatno se pogoršavaju zbog tehnologije automatskog pokretanja i zaustavljanja [13,14]. Upotreba električnih pumpi za ulje i valjkastih ležajeva za bregastu osovinu i osovinu balansera pomaže ublažiti problem. Radilice s ležajevima također su isprobane, ali su smatrane nepraktičnima.

Crankcase formulacije maziva mogu se fino podesiti za optimalne performanse pod određenim uvjetima. Na primjer, motorno ulje može biti dizajnirano za najbolje performanse pri velikim brzinama i temperaturi motora, kao što je slučaj s trkaćim uljima. Međutim, trkaće ulje ne bi bio dobar izbor za cestovne automobile u stop-and-go gradskom prometu. Naprotiv, može se dizajnirati motorno ulje za najbolje rezultate u gradskom prometu, ali tada možda neće uspjeti zaraditi svoju "Krafnu" koja čuva resurse.

Za razliku od trkaćih ulja, mainstream maziva formulirana su kako bi uravnotežila veliki broj različitih svojstava, svojevrsni svjesni i neizbježni pomak paradigme od "biti najbolji u nečemu" do "biti dovoljno dobar u svemu. Budući da se učinkovitost goriva smatra iznimno važnim aspektom performansi - zapravo, mnoga odobrenja OEM-a to izričito zahtijevaju - prijelaz na niže viskoznosti nastavit će se. Međutim, treba priznati da ulja za ekonomičnost potrošnje goriva nemaju puno ekonomskog smisla za krajnjeg potrošača – govorimo o uštedi goriva od 100 eura u usporedbi s rizikom od 1000 eura ako je ulje pretanko i uzrokuje prekomjerno trošenje motora. Međutim, korist od ovih ulja pripisuje se proizvođačima automobila. Ako njihova vozila mogu uštedjeti 1-2% goriva pomoću posebnog maziva za potrošnju goriva, tada OEM može drastično smanjiti iznos novčanih kazni koje će možda trebati platiti.

Upotreba modifikatora trenja u mazivima radilice

Povećani zahtjevi za performanse maziva objašnjavaju stalan porast tržišnog udjela sintetičkih maziva u posljednja dva desetljeća. Sintetička bazna ulja imaju višestruke prednosti: bolju konzistenciju svojstava, veću stabilnost oksidacije, bolja svojstva protoka na niskoj temperaturi, nisku volatilnost itd., vidi sliku 7 U kombinaciji s odgovarajućim aditivima, sintetička bazna ulja mogu se koristiti za proizvodnju maziva s izvanrednim svojstvima. Jedna vrsta aditiva zaslužuje posebno spominjanje jer se radi o motornim uljima ekonomičnosti potrošnje goriva: modifikatori trenja. Modifikatori trenja nezamjenjiv su alat za "pametno naftno inženjerstvo", vidi sliku 3.

Sl.7 Migracija prema uštedi goriva puno sintetičko motorno ulje

Friction modifikatori mogu se otprilike grupirati u dvije glavne kategorije: (1) sustavi čestica (PTFE, grafit, grafen, MoS2, WS2, IF-WS2, nanoborična kiselina, nanočestice bakra/bakrenog oleata itd.); (2) sustavi za oblikovanje adsorpcijskog sloja, koji pak mogu biti monomolekularni (glicerol monooleat, sorbitanski monooleat, masni trigliceridi, esteri hidroksikarboksilnih kiselina, fosfatni esteri, boratni esteri, masne kiseline, masni amidi, masni amini, sumporne masti itd.) i polimerni (metakrilati, poliesteri, polieteri, poliamidi, polimerizirana biljna ulja itd.). Glavna prednost sustava čestica je u njihovoj relativno visokoj kemijskoj stabilnosti, dok je njihov glavni nedostatak sklonost odvajanju. Sustavi čestica imaju tendenciju da formulaciju maziva učine neprozirnom, što nije uvijek prihvatljivo. Sustav za modifikaciju trenja čestica koristi se, na primjer, u paketu aditiva za motorno ulje Lubrizol 21307. Sustavi za oblikovanje adsorpcijskog sloja su brojni: na tržištu postoje stotine komercijalnih proizvoda.

Glavna razlika između monomolekularnih i polimernih modifikatora trenja je kompaktnost adsorbiranih slojeva. Dok monomolekularni OFM-ovi imaju tendenciju da proizvode guste molekularne slojeve slične četki, polimerni OFM-ovi proizvode adsorpcijske slojeve slične gelu. Ovi slojevi uzrokuju odbojnost između površina - na isti način kao i polimerni disperzanti - doprinoseći takozvanom efektu "superlubričnosti": oni imaju tendenciju pomicanja Stribeckove krivulje ulijevo proširujući raspon podmazivanja punog filma prema većim opterećenjima [2,16]. Međutim, oni ne moraju nužno smanjiti trenje u režimu podmazivanja cijelog filma.

Čini se da gusto upakirane strukture slične četkama pružaju najbolji učinak smanjenja trenja u laboratorijskim testovima opreme, kao što su HFRR, pin-on-disk, Cameron-Plint, MTM itd. S druge strane, skloniji su istiskivanju drugih površinski aktivnih vrsta zbog konkurentne adsorpcije. Na primjer, gliceril monooleat može učinkovito istisnuti molibden fosforotioat s površine. Iz istog razloga, aditivi molibdena gube učinkovitost kada se primjenjuju u kombinaciji s određenim eteričnim baznim uljima.

Mješoviti sustavi mogu kombinirati superlubričnost s graničnim podmazivanjem. Na primjer, polimerizirano biljno ulje obično sadrži male količine masnih kiselina i djelomičnih glicerolnih estera. Polimerne molekule pružaju steričnu odbojnost između površina za trljanje, dok masne kiseline i djelomični glicerolni esteri pojačavaju graničnu mazivost [17]. Mnogi komercijalni OFM-ovi sustavi pokazuju isto svojstvo (na primjer, Perfad 3000 iz Crode). Ova vrsta ponašanja može se lako simulirati u laboratorijskim testovima kombiniranjem uobičajenih VI poboljšivača, kao što su PIB ili polistiren, s glicerol monooleatom ili sorbitanom monooleatom.

Površinski gel koji tvori OFM-ove manje je vjerojatno da će se uključiti u konkurentnu adsorpciju jer imaju manje "sidara" po jedinici površine. To omogućuje razvoj formulacija kombinirajući povoljna svojstva ekstremnog tlaka s učinkom "superlubričnosti"; vidi, na primjer, Sl. 8 [18].

Sličan učinak superlubričnosti može se doživjeti dok hodate po skliskim stijenama morske obale. Sluz algi koja raste na stijenama zadržava dovoljno debeli sloj vode, koji djeluje kao mazivo između vaših stopala i površine stijene. Bez ove sluzi, snaga vodenog filma ne bi bila dovoljna da izdrži vaša stopala. Adsorpcijski slojevi formirani takvim aditivima superlubričnosti koji tvore površinski gel su viskoelastični (ili pseudoplastični) i blagotvorno tribolološki učinak jer smanjuju trenje i trošenje, kao i povezano rasipanje energije i uzbuđenje buke. Oni također pomažu u otapanju čestica djelujući kao polimerni disperzanti. Sila razdvajanja između dviju površina u prisutnosti takvih aditiva može se izravno izmjeriti mikroskopijom atomske sile, sl<.

Sl.8 Sinergijski modifikatorski sustav trenja koji sadrži polimerni modifikator trenja i aditiv moly [18]

Sl.9 AFM mjerenja koja pokazuju odbojnu silu zbog površinskog sloja gela formiranog površinski aktivnim dodatkom superlubričnosti blok-kopolimera [13]

Uljno topljivi anorganski modifikatori trenja, kao što su molibden di(2-etilheksil) fosforoditioati, masni amidi molibdičke i volfragistične kiseline, Antimon dialkil fosforoditioat, borat esteri mogu raditi na dva različita načina: Prvo, djeluju adsorpcijom - a njihov afinitet prema metalnim površinama obično je veći nego za OFM-ove. Drugo, mogu proći tribomutaciju pod ekstremnim tlakom i / ili uvjetima smicanja, taložeći čvrste slojeve maziva na površinama za trljanje u kontaktu. Tako se derivati molibdena pretvaraju u MoS2, volfram – u WS2, borat – u bornu kiselinu itd. Na taj način anorganski modifikatori trenja igraju ključnu ulogu u procesu uhodavanja [19]. Ovo svojstvo također služi kao osnova za mehanokemijsku završnu obradu površine [20] i rezultira smanjenim trenjem i trošenjem, vidi sliku 10.

Sl.10 Učinak ZDDP-a i anorganskih modifikatora trenja na trenje ventila (nakon Ashwortha i sur. [21])

Utjecaj motornog ulja na trenje motora za različite izvedbe motora

Kao što je već spomenuto u uvodu, promjena na mazivo niže viskoznosti pomaže u smanjenju trenja motora. Najbolji način da to ilustrirate je pomoću motornih motornih platformi [4,13]. Slike 11-13 pokazuju podatke o okretnom momentu trenja za dva različita benzinska motora. Rabljeni, ali funkcionalni proizvodni 2L i4 motori korišteni su za izgradnju platformi. Platforme su radile bez tlaka, koristeći vanjsku pumpu za električno ulje bez impulsa za opskrbu uljem. Također, za smanjenje buke podataka korišten je teški zamašnjak. Glavna razlika između motora bila je površina provrta cilindra: izbrušeno lijevano željezo u odnosu na termički raspršeno i tip ventilskog vlaka: mehanička kanta s izravnim djelovanjem (DAMB) u odnosu na sljedbenika valjkastih prstiju (RFF).

Sl. 11 pokazuje učinak temperature ulja na trenje motora. Kao što se i očekivalo, niža temperatura ulja povezana je s većim trenjem. Za stariji dizajn motora (Motor A: Ford Duratec) koristeći konvencionalne provrte cilindra od lijevanog željeza i DAMB ventilski sklop, dolazi do blagog povećanja trenja u kraju niskog broja okretaja u minuti: to se može pripisati kolapsu hidrodinamičkog filma za mazivo i prekomjernom trenju granica u ventilskom sklopu i klipnoj skupini. Za noviji dizajn motora (motor B: Mercedes Benz M133) s provrtima presvučenim sprejem i RFF ventilskim sklopom, okretni moment trenja gotovo linearno ovisi o brzini motora. To pokazuje da novi dizajn omogućuje učinkovito izbjegavanje trenja granica.

Sl. 12 pokazuje učinak stupnja viskoznosti ulja na radnu temperaturu od 90oC. Prelazak s naslijeđenog stupnja SAE 10W-40 na 0W-16 omogućuje gotovo dvostruko smanjenje trenja motora pri velikom broju okretaja u minuti. Međutim, učinak postaje progresivno manji kada se ide na niži broj okretaja u minuti. Zanimljivo je da za stariji motor ulje najniže viskoznosti daje najveće trenje u kraju niskog broja okretaja u minuti. Još jednom, ovo pokazuje da bi urušavanje hidrodinamičkog filma za podmazivanje moglo biti pravi problem.

Konačno, slika 13 pokazuje kako trenje motora reagira na uporabu modifikatora trenja u formulaciji maziva. Može se vidjeti da motor s DAMB ventilskim sklopom i konvencionalnim provrtima cilindra od lijevanog željeza ima veću korist od uvođenja modifikatora trenja od motora s RFF ventilom i termički raspršenim bušotinama. To pokazuje da uvođenje modifikatora trenja ima smisla samo ako postoji znatan doprinos trenja granica u ukupnom gubitku energije.

Sl.11 Utjecaj temperature ulja na trenje motora: l.h.s. - Motor A, r.h.s. - Motor B.

Sl.12 Učinak stupnja viskoznosti ulja na trenje motora pri 90oC: l.h.s. - Motor A, r.h.s. - Motor B.

Sl.13 Učinak modifikatora trenja molibdena na trenje motora: l.h.s. - Motor A, r.h.s. - Motor B.

Važno je razumjeti da se različiti modifikatori trenja mogu međusobno natjecati za prazne površine, a mogu se natjecati i s drugom važnom klasom aditiva koji su uvijek prisutni u formulacijama maziva radilice - deterdžentima [22]. Kao rezultat toga, dvije različite formulacije ulja koje imaju potpuno ista viskometrijska svojstva mogu i dalje imati različitu potrošnju goriva, iako varijacije gotovo nikada ne prelaze 1 posto.

Neki uvidi u hibridne pogonske sklopove

Hibridni pogonski sklopovi donose nove izazove za formulatore ulja: budući da ICE motor ne puca trajno tijekom upotrebe automobila, možda neće uspjeti postići umjeren rad. To stvara uvjete za kondenzaciju vode na zidovima cilindra napajanja, nakon čega slijedi nakupljanje vode u kućištu radilice. Budući da su OFM-ovi površinski aktivni, pomažu u otapanju vode i odvlače je od kućišta radilice. Elektronika za upravljanje pogonskim sklopom mora uključiti ICE u razmacima kako bi zagrijala ulje i isparila višak vode.

Još jedan važan aspekt zašto su OFM-ovi toliko važni za motorna ulja za hibridne automobile je dodatna ušteda goriva. Hibridi obično koriste maziva niske i ultraniske viskoznosti: od 0W-20 (Volvo, Mercedes) do 0W-8 (Honda). Viskoznost ulja ima dominantan učinak na ekonomičnost goriva u ograničenju velikog opterećenja i male brzine. Međutim, ovaj operativni režim je relativno nevažan u stvarnom životu. S druge strane, OFM-ovi pomažu poboljšati ekonomičnost potrošnje goriva u granici opterećenja male brzine koja se nalazi bliže slatkom mjestu motora i najzanimljivija je s praktičnog stajališta. Osim toga, OFM-ovi pomažu smanjiti ovisnost o anorganskim modifikatorima trenja koji mogu biti potencijalno štetni za opremu za kontrolu ispušnih plinova. Sl. 14 pokazuje da se organski modifikatori trenja mogu uspješno natjecati s MoDTC-om u smislu učinka smanjenja trenja.

Sl.14 MTM ispitni podaci koji uspoređuju dva komercijalna organska modifikatora trenja s MoDTC-om u PAO baznom ulju. Korišteni su sljedeći uvjeti ispitivanja: SRR 50%, opterećenje 36N, temperatura 100oC.

Posljednje, ali ne najmanje važno: polimerni OFM-ovi lijepo djeluju u kombinaciji s uljno topljivim polieterom (OSP) i baznim uljima estera koja se često koriste u mazivima ultraniske viskoznosti (0W-8 i 0W-12 razreda), dok se aditivi molibdena u ovom slučaju ispostavljaju manje učinkovitima.

U Japanu je prelazak na ulje SAE 0W-20 započeo već oko 1980. godine, a prvi proizvod sličan SAE 0W-16 (u to vrijeme nije bilo oznaka J300 za razrede viskoznosti sub SAE 20) uveden je 2010. godine. Danas Honda i Toyota aktivno promoviraju tehnologiju SAE 0W-8 koja donosi u prosjeku 3-4% poboljšanja u potrošnji goriva u odnosu na SAE 0W-20. Razvijen je novi JASO test ekonomičnosti potrošnje goriva koji će eventualno zamijeniti postojeći slijed VIF u budućoj specifikaciji ILSAC GF-7. Razvoj novog standarda – poznatog kao JASO M364:2019 – i specifikacije ulja – JASO GLV-1 – dovršen je 2019. godine [23]. Za ispitivanje ekonomičnosti potrošnje goriva može se koristiti ili motor Toyota 2ZR-FXE 1.8L ili motorni motor Nissan MR20DD 2.0L. Predložena ograničenja ekonomičnosti potrošnje goriva za novu specifikaciju JASO GLV-1 su >1,1% (pečenje) i >2,0% (motorno) u usporedbi s referentnim uljem SAE 0W-16. ILSAC GF-7 vjerojatno neće doći prije 2025. godine - ako uopće dođe, uzimajući u obzir sve prepreke, kašnjenja, previsoke troškove i ograničenu korisnost ILSAC GF-6 kategorije.

Zaključne napomene

Motorno ulje važan je element u razvoju pogonskih sklopova s niskim trenjem. Prelazak na motorno ulje niske viskoznosti učinkovit je način smanjenja gubitaka trenja u motorima s unutarnjim izgaranjem. Međutim, ulje niske viskoznosti ima tendenciju ugrožavanja zaštite od trošenja što zahtijeva uvođenje modifikatora trenja i aditiva protiv odjeće u formulacijama maziva radilice. Uz šire usvajanje sintetičkih baznih ulja, očekuje se da će modifikatori trenja igrati sve važniju ulogu u budućnosti.

Sukob interesa

Autori izjavljuju da je istraživanje provedeno u nedostatku komercijalnih ili financijskih odnosa koji bi se mogli protumačiti kao potencijalni sukob interesa.

Autorovi doprinosi

Boris Zhmud stoji iza ideje općeg članka i istraživačkih podataka. Arthur Coen i Karima Zitouni pridonijeli su odjeljku o korištenju različitih klasa modifikatora trenja.

Priznanja

Robert Ian Taylor zahvaljuje se na inspirativnoj raspravi i komentarima u vezi s testovima trenja motora. Peteru Klejwegtu zahvaljuje se što je podijelio svoje iskustvo s motornim uljem za ekonomičnost potrošnje goriva za teške primjene.

References

1.  K. Holmberg, P. Andersson, A. Erdemir. Globalna potrošnja energije zbog trenja u osobnim automobilima. Tribology International, 47 (2012) 221.
2. B. Zhmud, Razvoj energetski učinkovitih maziva i premaza za automobilsku primjenu, Tribologija i tehnologija podmazivanja 67(9) (2011) 42.
3. B. Zhmud, Potraga za boljom potrošnjom goriva: Smanjenje trenja motora pomaže u maksimalnom maksimalizaciji milja po galonu, Komponenta vozila 5 (2012) 18.
4. R.I. Taylor, N. Morgan, R. Mainwaring, T. Davenport, koliko mješovitog / graničnog trenja ima u motoru - i gdje je? Proc IMechE dio J: J. Inženjerska tribologija 234 (2020) 1563.
5. B. Zhmud, Tribologija motora: trnovit put od laboratorija do polja, Lubrikant 154 (2019) 20.
6. R.I. Taylor, R.C. Coy, Poboljšana učinkovitost goriva dizajnom maziva: Recenzija, Proc. Inst. Mech. Eng. 214 (1999) 1.
7. B. Tatievski, B. Zhmud, "Motorna ulja s ekonomičnošću goriva: Znanstveno obrazloženje i kontroverze", u Proc. 20. međunarodna kolokvijska tribologija, Stuttgart, Njemačka, 12. i 14. siječnja 2016.
8. D.E. Brusilica, H. Allmaier, C. Knauder, F. Strömstedt, Potencijali i rizici smanjenja trenja s budućim motornim uljima ultra niske viskoznosti. MTZ Worldwide 79 (2018) 21.
9. P. Kleijwegt, R. ter Rele, M. Sabater Ferret, R. van den Bulk, "Global heavy-duty motorno ulje i njihov utjecaj na maziva sadašnje i sljedeće generacije" Benelux Smeermiddelen Congres, Retie, Belgija, 26. rujna 2019.
10. G. Lechner, A. Knafl, D. Assanis, S. Tseregounis, M. McMillan, S. Tung, P. Mulawa, E. Bardasz, S. Cowling, Učinci motornog ulja na trenje i emisije lakog dizelskog motora, 2.2L dizelskog motora s izravnim ubrizgavanjem, 1. dio - Rezultati ispitivanja motora. Tehnički radovi SAE 2002-01-2681.
11. S. Tung, M. McMillan, G. Hong, E. Bardasz, Učinci motornog ulja na trenje i trošenje pomoću 2.2L komponenti dizelskog motora s izravnim ubrizgavanjem za ispitivanje na klupi, 2. dio: Rezultati triboloških klupa i površinske analize. Tehnički radovi SAE 2004-01-2005.
12. B. Zhmud, E. Tomanik, "Optimizacija klipne / provrtne tribologije: Uloga površinskih specifikacija, prstenastog pakiranja i maziva." Međunarodna kolokvijska tribologija, Esslingen, Njemačka, 28. i 30. siječnja 2020.
13. B. Zhmud, B. Tatievski, "Priprema za ILSAC GF-6: Prednosti potpuno sintetičkih motornih ulja za poticanje ekonomičnosti potrošnje goriva." Svjetski tribološki kongres, Peking, Kina, rujan. 17-22, 2017.
14. B. Zhmud, "Trenutni napredak u mazivima radilice." Sastanak na vrhu o europskom baznom ulju i mazivima, Rotterdam, Nizozemska, 20. i 21. studenog 2019.
15. H. Šiljci, aditivi za modifikator trenja, Trib. Letonac. 60 (2015) 5.
16. B. Zhmud, M. Roegiers, Nova bazna ulja predstavljaju izazov za topljivost i podmazivanje, Tribologija i tehnologija podmazivanja 65 (7) (2009) 34.
17. M. Roegiers, B. Zhmud, Tribološka izvedba ioniziranih biljnih ulja kao aditiva za mazivo i masnu masnoću u mazivima i gorivima, Znanost o podmazivanju 21 (2009) 169.
18. M.C. Southby, H. Gao, C. Chen, C.A. Brada, B.L. Parke, sastav za podmazivanje, WO Patent 2015193395, 23. prosinca 2015.
19. S. Li, R. Zhang, Y. Jin, Y. Wang, S. Tung, Tribokarbonizacija sintetičkog motornog ulja u podmazanom klipnom prstenu / cilindru provrtni klizni kontakt i njegov odnos prema trenju i trošenju. Časopis za sintetičko podmazivanje 20 (2003) 203.
20. B. Zhmud, "In-manufacturing running-in of engine components by the Triboconditioning® process", u M. Abdel Wahab (Ed.): FFW 2018, LNME, str.
21. S. Ashworth, K. Mistry, A. Morina, A. Neville, Tribometar s jednom kamerom za procjenu triboloških parametara i tribochemistrije sljedbenika vlaka ventila obloženog DLC-om. Tribologija - Materijali, površine i sučelja, 6 (2012) 31.
22. S. Li, R. Zhang, Y. Jin, Y. Wang, S. Tung, Konkurentne površinske interakcije kritičnih aditiva s klipnim prstenom / komponentama obloge cilindra u podmazanim uvjetima provale. Tribološke transakcije 46 (2003) 200.
23. S. Yoshida, K. Yamamori, S. Hirano, T. Sagawa i dr., Razvoj JASO GLV-1 sljedeće generacije specifikacija ulja za automobilske benzinske motore niske viskoznosti. Tehnički dokument SAE 2020-01-1426