Oszczędność paliwa Oleje silnikowe: Uzasadnienie naukowe i kontrowersje

Abstract

Ponieważ znaczna część strat energii w silniku spalinowym pochodzi z rozpraszania lepkości, trend przesunął się w kierunku olejów o niskiej lepkości z SAE 40 i 50 w latach 1960-1980 do obecnych SAE 20 i niższych klas lepkości. Stosowanie olejów silnikowych o niskiej lepkości znacznie zmniejsza straty energii w łożyskach głównych i układach tłok/otwór, podczas gdy obciążenia trybologiczne układu rozrządu - zwłaszcza w silnikach z płaskim popychaczem - mogą wzrosnąć. Jest to silny argument przemawiający za wdrożeniem nowych klas modyfikatorów tarcia i dodatków przeciwzużyciowych. Jednak opracowanie zbilansowanej formuły nie jest tak proste, jak się wydaje, a liczne pułapki mogą być napotkane ze względu na interakcje addytywne. Innym poważnym problemem jest to, że definicja "oleju silnikowego o niskim zużyciu paliwa" jest dość niejasna, ponieważ zależy od wyboru oleju referencyjnego. Obecnie ocena zużycia paliwa opiera się na testach Sequence VIE lub VIF z wykorzystaniem silnika benzynowego GM V6 o pojemności 3,6 l z 2012 roku. Nie jest niespodzianką, że wyniki tego testu okazują się w dużej mierze mylące, gdy ekstrapoluje się je na nowoczesne silniki o dużej pojemności skokowej z silnym doładowaniem. W związku z tym istnieje również wiele testów zużycia paliwa specyficznych dla producentów OEM, a różne konstrukcje silników często dają kontrowersyjne wyniki. Co więcej, wydajność "oszczędności paliwa" tego samego oleju w tym samym silniku może się drastycznie zmieniać w zależności od cyklu jazdy. Na przykład olej o niskiej lepkości może zwiększyć oszczędność paliwa przy prędkościach przelotowych (wysoka prędkość / niski limit obciążenia) i obniżyć zużycie paliwa podczas agresywnej jazdy miejskiej (niska prędkość / duże obciążenie).

Wszystkie powyższe okoliczności należy wziąć pod uwagę przy próbie zharmonizowania normatywnych wymagań dotyczących wydajności z oczekiwaniami klientów.

Wprowadzenie

Nowe normy zużycia paliwa dla samochodów ustanowione przez rządy największych gospodarek G20 oraz zmiana preferencji klientów spowodowana wysokimi cenami paliw wraz z podatkami węglowymi wywierają coraz większą presję na producentów samochodów. W Stanach Zjednoczonych Narodowa Administracja Bezpieczeństwa Ruchu Drogowego (NHTSA) i Agencja Ochrony Środowiska (EPA) wydały niedawno przepisy dotyczące bezpieczniejszych i tańszych paliwooszczędnych pojazdów (SAFE), które określają surowe normy dotyczące zużycia paliwa i emisji dwutlenku węgla. Normy te mają zastosowanie do samochodów osobowych i lekkich ciężarówek i wyznaczają ruchomy cel, który będzie wzrastał o 1,5% każdego roku od lat modelowych 2021 do 2026. Warto zauważyć, że biorąc pod uwagę realia rynku, poprzeczka oczekiwań została obniżona do 40,4 mpg prognozowanego ogólnego średniego wymaganego zużycia paliwa w branży w 2026 r., w porównaniu z 46,7 mpg prognozowanym wymogiem zgodnie z normami z 2012 r. Ten ostatni był ponownie niższy niż początkowe cele EPA na 2025 r. wynoszące 62 mpg ogłoszone dziesięć lat temu – które wkrótce potem zostały zmniejszone do 56 mpg.

Pokazuje to, że postęp jest raczej bolesny, a zbyt ambitne cele mogą nie zostać osiągnięte bez solidnych podstaw technologicznych i potężnych zachęt finansowych, które napędzają zmiany.

Inne rynki podążają za tym samym trendem, patrz rys. 1.

Rys.1 Porównanie norm zużycia paliwa na kluczowych rynkach samochodowych (Źródło: ICCT, wrzesień 2019)

W Europie Parlament Europejski i Rada przyjęły rozporządzenie (UE) 2019/631, które określa normy emisji CO2 dla nowych samochodów osobowych i nowych samochodów dostawczych na lata 2025 i 2030. Od 2021 r. średni docelowy poziom emisji dla unijnego parku pojazdów dla nowych samochodów wynosi 95 g CO2/km. Odpowiada to zużyciu paliwa wynoszącemu około 4,1 l/100 km (57,4 mpg) benzyny lub 3,6 l/100 km (65,3 mpg) oleju napędowego. Obecnie średnia emisja CO2 dla nowych samochodów sprzedawanych w UE wynosi około 120 g CO2/km. Producenci samochodów płacą karę w wysokości 95 euro za każdy g/km przekraczający docelowy cel.

Nowe japońskie normy zużycia paliwa wydane rok temu wyznaczyły cel dla średniego zużycia paliwa równoważnego paliwu dla floty na poziomie 25,4 km na litr (59,8 mpg) do 2030 r., co stanowi poprawę o około 30% w stosunku do dzisiejszej średniej floty.

Te czynniki polityczne i ekonomiczne intensyfikują wysiłki badawczo-rozwojowe podejmowane przez głównych producentów OEM w ich dążeniu do lepszej efektywności paliwowej. Oprócz skoordynowanych wysiłków na rzecz elektryfikacji układów napędowych i wykorzystania alternatywnych źródeł energii w celu zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych (GHG), duży nacisk kładzie się na zrozumienie trybologicznych aspektów strat energii w układzie napędowym i wykorzystanie obecnych postępów w inżynierii smarowania i powłokach w celu zminimalizowania tych strat. Aby zachęcić do takich ekoinnowacji, producentom przyznaje się "kredyty emisyjne" na wdrażanie innowacyjnych technologii, które powinny – w oparciu o niezależnie zweryfikowane dane – skutkować zmniejszeniem emisji CO2, nawet jeśli procedura badawcza stosowana do homologacji typu pojazdu nie wykazuje żadnego efektu. Poza tym producenci otrzymują "super kredyty" za wprowadzanie na rynek samochodów bezemisyjnych i niskoemisyjnych (BEV, PHEV) emitujących mniej niż 50 g CO2/km.

Koszty rozwoju, koszty materiałów i koszty produkcji są zawsze ważnymi czynnikami przy ocenie potencjału rynkowego tego czy innego podejścia.

Około jedna trzecia zużycia paliwa w samochodach osobowych wynika ze strat wynikających z tarcia [1], przy czym tarcie układu napędowego jest jednym z głównych winowajców, patrz rys. 2.

Rys.2 Straty energii w samochodach osobowych (Źródło: www.fueleconomy.gov)

Dlatego rozwój układów napędowych o niskim współczynniku tarcia jest postrzegany jako ważny cel [1-3].

Rola oleju silnikowego w rozwoju układu napędowego o niskim współczynniku tarcia

Uważa się, że silniki samochodowe pracują głównie w reżimie hydrodynamicznym [4-6]. Dlatego zmniejszając lepkość środka smarnego, można zmniejszyć tarcie silnika i poprawić oszczędność paliwa w pojeździe. Rys. 3 wyjaśnia, jak działa ta strategia: po lewej stronie pokazana jest rzeczywista krzywa momentu obrotowego typowego produkcyjnego silnika GDI o pojemności 1,6 l, a po prawej krzywa momentu tarcia dla tego samego silnika mierzona za pomocą platformy silnikowej. Tarcie "zjada" około 1/10 użytecznego momentu obrotowego, jaki może wytworzyć silnik. Fakt, że moment tarcia wzrasta wraz z prędkością obrotową silnika, świadczy o hydrodynamicznym reżimie smarowania. Dlatego zmiana środka smarnego na środek smarny o niższej lepkości pomaga zmniejszyć moment tarcia przy wysokich obrotach.

Rys.3 Krzywa momentu obrotowego (l.h.s.) i krzywa momentu tarcia (r.h.s.) dla produkcyjnego silnika 1.6L i4 GDI. Przedstawiono również podstawowe strategie inżynieryjne redukcji tarcia.

W ciągu ostatnich dwóch dekad można było zaobserwować stałą tendencję do stosowania środków smarnych o niższej lepkości, patrz rys. 4. W związku z tym norma SAE J300 została zmieniona w 2015 r., aby uwzględnić trzy nowe lżejsze klasy lepkości, SAE 16, 12 i 8. Cięższe gatunki PCMO SAE xW-40, xW-50 i xW-60 stają się produktami niszowymi. Specyfikacja ILSAC GF-6 nie obejmuje nawet lepkości powyżej SAE 30. Samochodowe smary przekładniowe idą w ich ślady: Norma SAE J306 została zmieniona w 2019 roku, dodając klasy lepkości SAE 75, 70 i 65.

W przypadku samochodów osobowych zmiana ze starszej klasy SAE 10W-40 na 0W-20 zapewnia średnio 5% poprawę zużycia paliwa w warunkach testowych WLTP, a późniejsza migracja do 0W-8 może przynieść dodatkowe 5%, pod warunkiem, że osprzęt silnika może bezpiecznie poradzić sobie z tak niską lepkością. W przypadku samochodów ciężarowych o dużej ładowności efekt ten jest znacznie mniejszy: przechodząc ze starszego SAE 15W-40 na 5W-20, oszczędza się nie więcej niż 2% w warunkach ESC, a jeszcze mniej w warunkach ETC. Wiele starszych konstrukcji HDDE nie jest w stanie pracować z olejem o niskiej lepkości.

Rys.4 Utrzymująca się tendencja do stosowania środków smarnych o niższej lepkości i niższej zawartości SAPS

Istnieje jednak podstawowa przeszkoda w dalszym obniżaniu lepkości środka smarnego: jest nią zużycie [7-11]. Grubość hydrodynamicznego filmu smarnego jest wprost proporcjonalna do lepkości środka smarnego. W związku z tym, aby utrzymać reżim smarowania hydrodynamicznego, należy zmienić specyfikacje wykończenia powierzchni oraz zmodernizować pompę olejową i system filtracji oleju [7]. Bez tego ryzyko nadmiernego zużycia jest realne i nie można go zignorować, patrz rys. 5-6

Rys.5 Symulowane mapy stanu ΔBSFC i łożysk dla nowoczesnego silnika samochodu osobowego (wg D.E. Sander et al. [8])

Rys. 5 przedstawia symulowaną mapę ΔBSFC dla nowoczesnego silnika samochodu osobowego i symulowaną mapę stanu łożysk dla tego samego. W środku pokazana jest zmiana BSFC przy zmianie z SAE 0W-20 (lewa strona) na 0W-8 (w środku), zielony obszar odpowiada poprawie zużycia paliwa, czerwony – zdegradowanemu zużyciu paliwa. Możliwa jest redukcja BSFC do 20%. Niestety, maksymalny efekt jest ograniczony do niewłaściwej części mapy: średnich i wysokich prędkości obrotowych silnika oraz niskiego obciążenia. Takie warunki dotyczą silnika obracającego się na biegu jałowym. W pobliżu "sweet spotu" silnika wpływ na BSFC zmniejsza się do 10%. Jednak najbardziej kłopotliwą obserwacją jest czerwony obszar przy niskich obrotach i dużym obciążeniu silnika, ponieważ oznacza to nie tylko pogorszenie zużycia paliwa, ale także zwiększone ryzyko zużycia [5,7-12]. Potwierdza to symulacja stanu łożyska głównego.

Podobne tendencje zaobserwowano w przypadku silników wysokoprężnych o dużej ładowności, patrz rys. 6. W rzeczywistości niedopasowanie jest w tym przypadku jeszcze bardziej oczywiste, ponieważ maksymalny efekt oszczędności paliwa występuje przy niskim obciążeniu i wysokich obrotach, podczas gdy największe zużycie występuje przy dużym obciążeniu i niskiej prędkości, blisko słodkiego punktu silnika. W przypadku wielu silników problemy zaczynają się już przy zmianie starszego API CJ-4 lub jego wstecznie kompatybilnego następcy API CK-4 na lżejszy olej silnikowy FA-4. Jednocześnie niektóre nowe silniki – np. Scania i DAF – mogą bezpiecznie stosować oleje o masie 5W-20, a nawet 0W-16.

Rys.6 Potencjalne problemy ze zużyciem przy ultraniskiej lepkości HDEO (za P. Klejwegt et al. [9])

Powyższe przykłady pokazują, że to w warunkach niskiej prędkości - dużego obciążenia film smarny może ulec uszkodzeniu. Problemy przy dużych prędkościach są głównie związane z niewystarczającą wydajnością pompy olejowej i można je rozwiązać, stosując pompy o zmiennej prędkości. Przy wysokich prędkościach obrotowych silnika większą rolę odgrywają również siły bezwładności działające na grupę posuwisto-zwrotną i efekty kawitacji. Może to powodować problemy z małym końcem złącza korbowodu/sworznia nadgarstka i łożysk. Ogólnie rzecz biorąc, środki smarne o niższej lepkości są mniej podatne na kawitację.

Ponieważ film hydrodynamiczny zapada się, gdy nie ma względnego ruchu między powierzchniami trącymi, problemy ze zużyciem związane z wprowadzaniem środków smarnych o niskiej lepkości są dodatkowo pogarszane ze względu na technologię automatycznego start-stop [13,14]. Zastosowanie elektrycznych pomp olejowych i łożysk wałeczkowych wałka rozrządu i wałka wyrównoważającego pomaga złagodzić ten problem. Wypróbowano również wały korbowe podparte łożyskami wałeczkowymi, ale okazały się niepraktyczne.

Skład środka smarnego skrzyni korbowej można precyzyjnie dostroić w celu uzyskania optymalnej wydajności w określonych warunkach. Na przykład olej silnikowy może być zaprojektowany tak, aby działał najlepiej przy wysokich prędkościach obrotowych i temperaturach silnika, tak jak ma to miejsce w przypadku olejów wyścigowych. Jednak olej wyścigowy nie byłby dobrym wyborem dla samochodów drogowych w ruchu miejskim. Wręcz przeciwnie, można zaprojektować olej silnikowy tak, aby działał najlepiej w ruchu miejskim, ale wtedy może nie zasłużyć na oszczędzającego zasoby "pączka".

W przeciwieństwie do olejów wyścigowych, popularne środki smarne są formułowane tak, aby równoważyć dużą liczbę różnych właściwości, rodzaj świadomej i nieuniknionej zmiany paradygmatu z "bycia najlepszym w czymś" na "bycie wystarczająco dobrym we wszystkim. Ponieważ efektywność paliwowa jest postrzegana jako niezwykle ważny aspekt wydajności – w rzeczywistości wiele aprobat OEM wyraźnie tego wymaga – przejście na niższe lepkości będzie kontynuowane. Należy jednak uznać, że oleje oszczędzające paliwo nie mają większego sensu ekonomicznego dla konsumenta końcowego – mówimy o oszczędności paliwa w wysokości około 100 euro w porównaniu z ryzykiem 1000 euro, jeśli olej jest zbyt rzadki i powoduje nadmierne zużycie silnika. Jednak korzyści płynące z tych olejów przypadają producentom samochodów. Jeśli ich pojazdy mogą zaoszczędzić 1-2% paliwa, stosując specjalny smar oszczędzający paliwo, to producent OEM może drastycznie zmniejszyć kwotę grzywien, które mogą być zmuszeni zapłacić.

Stosowanie modyfikatorów tarcia w środkach smarnych do skrzyni korbowej

Zwiększone wymagania dotyczące wydajności środka smarnego wyjaśniają stały wzrost udziału w rynku syntetycznych środków smarnych w ciągu ostatnich dwóch dekad. Syntetyczne oleje bazowe mają wiele zalet: lepszą spójność właściwości, wyższą stabilność oksydacyjną, lepsze właściwości płynięcia w niskiej temperaturze, niską lotność itp., patrz rys. 7 W połączeniu z odpowiednimi dodatkami, syntetyczne oleje bazowe mogą być stosowane do produkcji środków smarnych o wyjątkowych właściwościach. Na szczególną uwagę zasługuje jeden rodzaj dodatków, jeśli chodzi o oleje silnikowe o niskim zużyciu paliwa: modyfikatory tarcia. Modyfikatory tarcia są nieodzownym narzędziem "inteligentnej inżynierii olejowej", patrz rys. 3.

Rys.7 Migracja w kierunku oszczędzania paliwa, w pełni syntetycznego oleju silnikowego

Modyfikatory tarcia można z grubsza podzielić na dwie główne kategorie: 1) układy cząstek stałych (PTFE, grafit, grafen, MoS2, WS2, IF-WS2, kwas nanoborowy, nanocząstki miedzi/oleinianu miedzi itp.); (2) systemy tworzące warstwę adsorpcyjną, które z kolei mogą być monomolekularne (monooleinian glicerolu, monooleinian sorbitolu, triglicerydy tłuszczowe, estry kwasów hydroksykarboksylowych, estry fosforanowe, estry boranowe, kwasy tłuszczowe, amidy tłuszczowe, aminy tłuszczowe, tłuszcze siarkowane itp.) i polimerowe (metakrylany, poliestry, polietery, poliamidy, polimeryzowane oleje roślinne itp.). Główną zaletą układów cząstek stałych jest ich stosunkowo wysoka stabilność chemiczna, a ich główną wadą jest skłonność do separacji. Układy cząstek stałych mają tendencję do powodowania, że preparat smarny ma nieprzezroczysty wygląd, co nie zawsze jest dopuszczalne. System modyfikacji tarcia cząstek stałych jest stosowany na przykład w pakiecie dodatków do oleju silnikowego Lubrizol 21307. Systemy tworzenia warstw adsorpcyjnych są liczne: na rynku dostępne są setki produktów komercyjnych.

Główną różnicą między monomolekularnymi i polimerycznymi modyfikatorami tarcia jest zwartość zaadsorbowanych warstw. Podczas gdy monomolekularne OFM mają tendencję do wytwarzania gęstych "szczotkopodobnych" warstw molekularnych, polimerowe OFM wytwarzają "żelowe" warstwy adsorpcyjne. Warstwy te powodują odpychanie między powierzchniami – podobnie jak polimerowe środki dyspergujące – przyczyniając się do tak zwanego efektu "supersmarności": mają tendencję do przesuwania krzywej Stribecka w lewo poprzez rozszerzenie zakresu smarowania pełnofilmowego w kierunku wyższych obciążeń [2,16]. Nie muszą one jednak zmniejszać tarcia w reżimie smarowania pełnego filmu smarnego.

Gęsto upakowane struktury przypominające szczotki wydają się zapewniać najlepszy efekt redukcji tarcia w testach laboratoryjnych, takich jak HFRR, pin-on-disk, Cameron-Plint, MTM itp. Z drugiej strony są bardziej podatne na wypieranie innych gatunków powierzchniowo czynnych ze względu na adsorpcję konkurencyjną. Na przykład monooleinian glicerolu może skutecznie wypierać fosforan molibdenu z powierzchni. Z tego samego powodu dodatki molibdenowe tracą skuteczność, gdy są stosowane w połączeniu z niektórymi estrowymi olejami bazowymi.

Układy mieszane mogą łączyć smarność nadsmarowną ze smarnością graniczną. Na przykład spolimeryzowany olej roślinny zwykle zawiera niewielkie ilości kwasów tłuszczowych i częściowych estrów glicerolu. Cząsteczki polimerowe zapewniają odpychanie steryczne między powierzchniami trącymi, podczas gdy kwasy tłuszczowe i częściowe estry glicerolu zwiększają smarowność graniczną [17]. Wiele komercyjnych systemów OFM wykazuje tę samą właściwość (na przykład Perfad 3000 firmy Croda). Ten rodzaj zachowania można łatwo zasymulować w testach laboratoryjnych, łącząc popularne polepszacze VI, takie jak PIB lub polistyren, z monooleinianem glicerolu lub monooleinianem sorbitolu.

Powierzchniowe żelowe OFM rzadziej angażują się w konkurencyjną adsorpcję, ponieważ mają mniej "kotwic" na jednostkę powierzchni. Pozwala to na opracowanie formulacji łączących korzystne właściwości w zakresie ekstremalnych ciśnień z efektem "supersmarowności"; patrz np. rys. 8 [18].

Podobny efekt supersmarowności można doświadczyć podczas spaceru po śliskich skałach brzegu morza. Szlam glonów rosnących na skałach zatrzymuje wystarczająco grubą warstwę wody, która działa jak smar między stopami a powierzchnią skały. Bez tego szlamu siła filmu wodnego nie byłaby wystarczająca, aby podeprzeć stopy. Warstwy adsorpcyjne utworzone przez takie powierzchniowo żelujące dodatki supersmarne są lepkosprężyste (lub pseudoplastyczne) i mają korzystny efekt trybologiczny, ponieważ zmniejszają tarcie i zużycie, a także związane z tym rozpraszanie energii i wzbudzenie hałasu. Pomagają również rozpuszczać cząstki stałe, działając jako polimerowe środki dyspergujące. Siłę oddzielającą między dwiema powierzchniami w obecności takich dodatków można bezpośrednio zmierzyć za pomocą mikroskopii sił atomowych, rys. 9 [13]

Rys.8 Synergiczny układ modyfikatora tarcia zawierający polimerowy modyfikator tarcia i dodatek molibdenu [18]

Rys.9 Pomiary AFM pokazujące siłę odpychania powodowaną przez powierzchniową warstwę żelu utworzoną przez powierzchniowo aktywny dodatek supersmarny blok-kopolimer [13]

Rozpuszczalne w oleju nieorganiczne modyfikatory tarcia, takie jak di(2-etyloheksylofosforany) fosforodiany molibdenu, amidy tłuszczowe kwasu molibdenowego i wolframowego, Ioditiofosforan antymonu dialkilu, estry boranowe mogą działać na dwa różne sposoby: Po pierwsze, działają na zasadzie adsorpcji – a ich powinowactwo do powierzchni metalowych jest zwykle wyższe niż w przypadku OFM. Po drugie, mogą ulegać trybomutacji w warunkach ekstremalnego ciśnienia i/lub ścinania, osadzając stałe warstwy smaru na stykających się powierzchniach trących. W ten sposób pochodne molibdenu są przekształcane w MoS2, wolfram – w WS2, boran – w kwas borowy itp. W ten sposób modyfikatory tarcia nieorganicznego odgrywają zasadniczą rolę w procesie docierania [19]. Właściwość ta służy również jako podstawa mechanochemicznej obróbki powierzchni [20] i skutkuje zmniejszeniem tarcia i zużycia, patrz rys.10.

Rys.10 Wpływ ZDDP i nieorganicznych modyfikatorów tarcia na tarcie w układzie zaworowym (za Ashworth et al. [21])

Wpływ oleju silnikowego na tarcie silnika w różnych konstrukcjach silników

Jak już wspomniano we wstępie, zmiana środka smarnego na środek smarny o niższej lepkości pomaga zmniejszyć tarcie silnika. Najlepszym sposobem, aby to zilustrować, jest użycie platform silnikowych [4,13]. Rys. 11-13 pokazują dane dotyczące momentu tarcia dla dwóch różnych silników benzynowych. Do budowy platform wykorzystano używane, ale sprawne produkcyjnie silniki 2L i4. Platformy były zasilane bezciśnieniowo, przy użyciu zewnętrznej, bezpulsacyjnej elektrycznej pompy olejowej do dostarczania ropy. Zastosowano również ciężkie koło zamachowe, aby zmniejszyć szum danych. Główną różnicą między silnikami była powierzchnia otworu cylindra: szlifowane żeliwo vs natryskiwane termicznie, oraz typ mechanizmu rozrządu: łyżka mechaniczna bezpośredniego działania (DAMB) vs popychacz rolkowy (RFF).

Rys. 11 przedstawia wpływ temperatury oleju na tarcie silnika. Zgodnie z oczekiwaniami niższa temperatura oleju wiąże się z większym tarciem. W przypadku starszej konstrukcji silnika (silnik A: Ford Duratec) wykorzystując konwencjonalne żeliwne otwory cylindrów i układ rozrządu DAMB, występuje niewielki wzrost tarcia na niskich obrotach: można to przypisać hydrodynamicznemu zapadaniu się filmu smarnego i nadmiernemu tarciu granicznemu w układzie rozrządu i grupie posuwisto-zwrotnej. W przypadku nowszej konstrukcji silnika (Silnik B: Mercedes Benz M133) z otworami powlekanymi natryskowo i układem rozrządu RFF, moment tarcia jest prawie liniowo zależny od prędkości obrotowej silnika. To pokazuje, że nowa konstrukcja pozwala skutecznie zapobiegać tarciu granic.

Rys. 12 przedstawia wpływ klasy lepkości oleju w temperaturze roboczej 90oC. Przejście ze starszego gatunku SAE 10W-40 na 0W-16 pozwala na prawie dwukrotne zmniejszenie tarcia silnika przy wysokich obrotach. Jednak efekt staje się stopniowo mniejszy przy niższych obrotach. Interesujące jest to, że w przypadku starszego silnika olej o najniższej lepkości zapewnia najwyższe tarcie na niskich obrotach. Po raz kolejny pokazuje to, że zapadanie się hydrodynamicznego filmu smarnego może być prawdziwym problemem.

Wreszcie rys. 13 pokazuje, w jaki sposób tarcie silnika reaguje na zastosowanie modyfikatora tarcia w składzie środka smarnego. Widać, że silnik z układem rozrządu DAMB i konwencjonalnymi żeliwnymi otworami cylindrów czerpie więcej korzyści z zastosowania modyfikatorów tarcia niż silnik z układem rozrządu RFF i otworami natryskiwanymi termicznie. Pokazuje to, że zastosowanie modyfikatorów tarcia ma sens tylko wtedy, gdy tarcie graniczne ma znaczący udział w całkowitej utracie energii.

Rys.11 Wpływ temperatury oleju na tarcie silnika: l.h.s. - Silnik A, r.h.s. - Silnik B.

Rys.12 Wpływ klasy lepkości oleju na tarcie silnika w temperaturze 90oC: l.h.s. - Silnik A, r.h.s. - Silnik B.

Rys.13 Wpływ modyfikatora tarcia molibdenowego na tarcie silnika: l.h.s. - Silnik A, r.h.s. - Silnik B.

Ważne jest, aby zrozumieć, że różne modyfikatory tarcia mogą konkurować ze sobą o wolne powierzchnie, a także mogą konkurować z inną ważną klasą dodatków niezmiennie obecnych w formulacjach smarów skrzyni korbowej – detergentami [22]. W rezultacie, dwie różne formuły olejów o dokładnie takich samych właściwościach lepkościowych mogą nadal charakteryzować się różnym zużyciem paliwa, chociaż wahania prawie nigdy nie przekraczają 1 procenta.

Kilka spostrzeżeń na temat hybrydowych układów napędowych

Hybrydowe układy napędowe stawiają nowe wyzwania przed formulatorami olejów: ponieważ silnik spalinowy nie odpala stale podczas użytkowania samochodu, może nie osiągnąć temperatury roboczej. Stwarza to warunki do kondensacji wody na ściankach cylindra napędowego, a następnie gromadzenia się wody w skrzyni korbowej. Ponieważ OFM są powierzchniowo aktywne, pomagają rozpuszczać wodę i odprowadzać ją ze skrzyni korbowej. Elektronika sterująca układem napędowym musi włączać silnik spalinowy w odstępach czasu, aby podgrzać olej i odparować nadmiar wody.

Innym ważnym aspektem, dla którego OFM są tak ważne dla olejów silnikowych do samochodów hybrydowych, jest dodatkowa oszczędność paliwa. W hybrydach zwykle stosuje się środki smarne o niskiej i bardzo niskiej lepkości: od 0W-20 (Volvo, Mercedes) do 0W-8 (Honda). Lepkość oleju ma dominujący wpływ na oszczędność paliwa w górnej granicy prędkości obrotowej i niskiego obciążenia. Jednak ten reżim operacyjny jest stosunkowo nieistotny w prawdziwym życiu. Z drugiej strony, OFM pomagają poprawić oszczędność paliwa w limicie niskiej prędkości i wysokiego obciążenia, który leży bliżej sweet spotu silnika i jest najbardziej interesujący z praktycznego punktu widzenia. Poza tym OFM pomagają zminimalizować zależność od nieorganicznych modyfikatorów tarcia, które mogą być potencjalnie szkodliwe dla urządzeń kontrolujących spaliny. Rys. 14 pokazuje, że modyfikatory tarcia organicznego mogą z powodzeniem konkurować z MoDTC pod względem efektu redukcji tarcia.

Rys.14 Dane z testu MTM porównujące dwa komercyjne modyfikatory tarcia organicznego z MoDTC w oleju bazowym PAO. Zastosowano następujące warunki testowe: SRR 50%, obciążenie 36N, temperatura 100oC.

Last but not least: polimerowe OFM dobrze sprawdzają się w połączeniu z rozpuszczalnymi w oleju olejami polieterowymi (OSP) i estrowymi olejami bazowymi, które są często stosowane w smarach o bardzo niskiej lepkości (gatunki 0W-8 i 0W-12), podczas gdy dodatki molibdenowe okazują się w tym przypadku mniej wydajne.

W Japonii przejście na olej SAE 0W-20 rozpoczęło się już około 1980 roku, a pierwszy produkt podobny do SAE 0W-16 (w tamtym czasie nie było oznaczeń J300 dla klas lepkości poniżej SAE 20) został wprowadzony w 2010 roku. Obecnie Honda i Toyota aktywnie promują technologię SAE 0W-8, która zapewnia średnio 3-4% poprawę zużycia paliwa w porównaniu z SAE 0W-20. Opracowano nowy test zużycia paliwa JASO, który prawdopodobnie zastąpi istniejącą sekwencję VIF w przyszłej specyfikacji ILSAC GF-7. W 2019 r. zakończono prace nad nową normą – znaną jako JASO M364:2019 – oraz specyfikacją oleju – JASO GLV-1 [23]. Do testu zużycia paliwa można użyć odpalającego silnika Toyota 2ZR-FXE 1.8L lub silnika Nissan MR20DD 2.0L. Proponowane limity zużycia paliwa dla nowej specyfikacji JASO GLV-1 wynoszą >1,1% (wypalanie) i >2,0% (silnik) w porównaniu z olejem referencyjnym SAE 0W-16. ILSAC GF-7 prawdopodobnie nie pojawi się przed 2025 r. - jeśli w ogóle się pojawi, biorąc pod uwagę wszystkie przeszkody, opóźnienia, zaporowe koszty i ograniczoną przydatność kategorii ILSAC GF-6.

Uwagi końcowe

Olej silnikowy jest ważnym elementem w rozwoju układów napędowych o niskim współczynniku tarcia. Przejście na olej silnikowy o niskiej lepkości to skuteczny sposób na zmniejszenie strat tarcia w silnikach spalinowych. Jednak olej o niskiej lepkości ma tendencję do pogarszania ochrony przed zużyciem, co wymaga stosowania modyfikatorów tarcia i dodatków przeciwzużyciowych w preparatach smarów do skrzyni korbowej. Oczekuje się, że wraz z szerszym stosowaniem syntetycznych olejów bazowych, modyfikatory tarcia będą odgrywać coraz ważniejszą rolę w przyszłości.

Konflikt interesów

Autorzy oświadczają, że badania zostały przeprowadzone przy braku jakichkolwiek powiązań handlowych lub finansowych, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.

Wkład autora

Boris Zhmud stoi za ogólną ideą artykułu i danymi badawczymi. Arthur Coen i Karima Zitouni przyczynili się do powstania sekcji poświęconej zastosowaniu różnych klas modyfikatorów tarcia.

Podziękowania

Podziękowania dla Roberta Iana Taylora za inspirującą dyskusję i komentarze dotyczące testów tarcia w silnikach silnikowych. Podziękowania należą się Peterowi Klejwegtowi za podzielenie się swoimi doświadczeniami w zakresie oszczędnego oleju silnikowego do zastosowań w trudnych warunkach.

References

1.  K. Holmberg, P. Andersson, A. Erdemir. Globalne zużycie energii spowodowane tarciem w samochodach osobowych. Tribology International, 47 (2012) 221.
2. B. Zhmud, Opracowywanie energooszczędnych środków smarnych i powłok do zastosowań motoryzacyjnych, Tribology and Lubrication Technology 67(9) (2011) 42.
3. B. Żmud, Dążenie do lepszej oszczędności paliwa: Zmniejszenie tarcia silnika pomaga zmaksymalizować liczbę mil na galon, The Vehicle Component 5 (2012) 18.
4. R.I. Taylor, N. Morgan, R. Mainwaring, T. Davenport, Ile tarcia mieszanego/granicznego występuje w silniku - i gdzie ono jest? Proc IMechE Część J: J. Trybologia inżynierska 234 (2020) 1563.
5. B. Żmud, Tribologia silnika: ciernista droga z laboratorium na pole, Lube 154 (2019) 20.
6. R.I. Taylor, R.C. Nieśmiała, Niższe zużycie paliwa dzięki konstrukcji środka smarnego: Recenzja, Proc. Inst. Mech. Eng. 214 (1999) 1.
7. B. Tatievski, B. Zhmud, "Oleje silnikowe oszczędzające paliwo: Naukowe uzasadnienie i kontrowersje", w: Proc. 20th International Colloquium Tribology, Stuttgart, Niemcy, 12-14 stycznia 2016 r.
8. D.E. Sander, H. Allmaier, C. Knauder, F. Strömstedt, Potencjały i zagrożenia związane ze zmniejszeniem tarcia w przyszłych olejach silnikowych o bardzo niskiej lepkości. MTZ Worldwide 79 (2018) 21.
9. P. Kleijwegt, R. ter Rele, M. Sabater Ferret, R. van den Bulk, "Global heavy-duty engine oil specifications and their impact on current and next generation lubricants" [Globalne specyfikacje olejów silnikowych do silników o dużej wytrzymałości i ich wpływ na środki smarne obecnej i następnej generacji], Benelux Smeermiddelen Congres, Retie, Belgia, 26 września 2019 r.
10. G. Lechner, A. Knafl, D. Assanis, S. Tseregounis, M. McMillan, S. Tung, P. Mulawa, E. Bardasz, S. Cowling, Wpływ oleju silnikowego na tarcie i emisje lekkiego silnika wysokoprężnego z bezpośrednim wtryskiem paliwa 2,2 l, część 1 - Wyniki testów silnika. Dokumenty techniczne SAE 2002-01-2681.
11. S. Tung, M. McMillan, G. Hong, E. Bardasz, Wpływ oleju silnikowego na tarcie i zużycie przy użyciu elementów silnika wysokoprężnego z bezpośrednim wtryskiem paliwa 2,2 l do testów na stanowisku badawczym, Część 2: Wyniki badań stanowiskowych trybologii i analizy powierzchni. Dokumenty techniczne SAE 2004-01-2005.
12. B. Zhmud, E. Tomanik, "Optymalizacja trybologii tłoka/otworu: Rola specyfikacji powierzchni, pakietu pierścieni i środka smarnego". Międzynarodowe Kolokwium Tribologiczne, Esslingen, Niemcy, 28-30 stycznia 2020 r.
13. B. Żmud, B. Tatiewski, "Przygotowanie do ILSAC GF-6: Zalety w pełni syntetycznych olejów silnikowych w celu zwiększenia oszczędności paliwa." Światowy Kongres Tribologiczny, Pekin, Chiny, wrzesień 17-22, 2017.
14. B. Żmud, "Aktualne postępy w smarowaniu skrzyni korbowej". Europejski Szczyt Olejów Bazowych i Środków Smarnych, Rotterdam, Holandia, 20-21 listopada 2019 r.
15. H. Kolce, dodatki modyfikujące tarcie, Trib. Lett. 60 (2015) 5.
16. B. Zhmud, M. Roegiers, Nowe oleje bazowe stanowią wyzwanie dla rozpuszczalności i smarności, Tribology and Lubrication Technology 65(7) (2009) 34.
17. M. Roegiers, B. Zhmud, Wydajność trybologiczna zjonizowanych olejów roślinnych jako dodatków smarnych i oleistości tłuszczowej w smarach i paliwach, Lubrication Science 21 (2009) 169.
18. M.C. Southby, H. Gao, C. Chen, C.A. Podbródek, B.L. Parke, Kompozycja smarująca, WO Patent 2015193395, 23 grudnia 2015 r.
19. S. Li, R. Zhang, Y. Jin, Y. Wang, S. Tung, Tribokarbonizacja syntetycznego oleju silnikowego w smarowanym styku ślizgowym pierścienia tłokowego/otworu cylindra i jego związek z tarciem i zużyciem. Dziennik Smarowania Syntetycznego 20 (2003) 203.
20. B. Zhmud, "Docieranie elementów silnika w trakcie produkcji przy użyciu procesu trybokondycjonowania®", w: M. Abdel Wahab (red.): FFW 2018, LNME, s. 671–681, 2019.
21. S. Ashworth, K. Mistry, A. Morina, A. Neville, Tribometr z pojedynczą krzywką do oceny parametrów trybologicznych i trybochemii popychacza mechanizmu rozrządu zaworowego z powłoką DLC. Tribologia - Materiały, Powierzchnie i Interfejsy, 6 (2012) 31.
22. S. Li, R. Zhang, Y. Jin, Y. Wang, S. Tung, Konkurencyjne interakcje powierzchniowe krytycznych dodatków z elementami pierścienia tłokowego/tulei cylindrowej w smarowanych warunkach docierania. Transakcje Tribologiczne 46 (2003) 200.
23. S. Yoshida, K. Yamamori, S. Hirano, T. Sagawa, et al., Opracowanie specyfikacji samochodowych olejów do silników benzynowych nowej generacji JASO GLV-1 o niskiej lepkości. Dokument techniczny SAE 2020-01-1426