Fuel Economy Engines: Znanstveno obrazloženje i kontroverze

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 1960-1980-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.