Motorové oleje na spotrebu paliva: Vedecké zdôvodnenie a kontroverzie

Abstrakt

Keďže významná časť energetických strát spaľovacieho motora pochádza z viskózneho rozptylu, trend sa posunul smerom k olejom s nízkou viskozitou zo SAE 40 a 50 v rokoch 1960-1980 na súčasné triedy SAE 20 a nižšie viskozity. Používanie motorových olejov s nízkou viskozitou výrazne znižuje energetické straty v hlavnom ložiskovom systéme a v systéme piest/vŕtaní, zatiaľ čo tribologické namáhanie ventilového ústrojenstva – najmä v motoroch s plochým odbočovačom – sa môže zvýšiť. To je silný argument pre nasadenie nových tried modifikátorov trenia a prísad proti opotrebeniu. Vývoj vyváženej formulácie však nie je taký priamočiary, ako sa zdá, a v dôsledku aditívnych interakcií sa môžu vyskytnúť početné úskalia. Ďalším vážnym problémom je, že definícia "motorového oleja s nízkou spotrebou paliva" je dosť vágna, pretože závisí od výberu referenčného oleja. V súčasnosti je hodnotenie spotreby paliva založené na testoch Sequence VIE alebo VIF s použitím benzínového motora 3.6L GM V6 z roku 2012. Nie je neočakávané, že výsledky tohto testu budú do značnej miery zavádzajúce, keď sa extrapolujú na moderné motory s nízkym zdvihovým objemom so silným posilnením. Preto existuje aj mnoho testov spotreby paliva špecifických pre výrobcov OEM a rôzne konštrukcie motorov často prinášajú kontroverzné výsledky. Okrem toho sa výkon toho istého oleja v tom istom motore pri "spotrebe paliva" môže dramaticky meniť v závislosti od jazdného cyklu. Napríklad olej s nízkou viskozitou môže zvýšiť spotrebu paliva pri cestovnej rýchlosti (vysoká rýchlosť / nízky limit zaťaženia) a znížiť spotrebu paliva počas agresívnej jazdy v meste (nízka rýchlosť / vysoké zaťaženie).

Všetky vyššie uvedené okolnosti je potrebné vziať do úvahy pri pokuse o zosúladenie normatívnych výkonnostných tvrdení s očakávaniami zákazníkov.

Úvod

Nové normy spotreby paliva pre automobily postavené vládami v hlavných ekonomikách G20 a zmena preferencií zákazníkov spôsobená vysokými cenami pohonných hmôt spolu s uhlíkovými daňami vyvíjajú zvýšený tlak na výrobcov automobilov. V USA Národná správa bezpečnosti cestnej premávky (NHTSA) a Agentúra na ochranu životného prostredia (EPA) nedávno vydali pravidlo bezpečnejších cenovo dostupných palivovo úsporných vozidiel (SAFE), ktoré stanovuje prísne normy spotreby paliva a oxidu uhličitého. Tieto normy sa vzťahujú na osobné automobily a ľahké nákladné vozidlá a stanovujú pohyblivý cieľ, ktorý sa od modelových rokov 2021 do roku 2026 každoročne zvýši o 1,5 %. Pozoruhodné, uznávajúc realitu trhu, latka očakávaní bola znížená na 40.4 mpg predpokladanej celkovej priemernej požadovanej spotreby paliva v priemysle v MY 2026 v porovnaní s predpokladanou požiadavkou 46.7 mpg podľa noriem z roku 2012. Ten bol opäť nižší ako pôvodné ciele EPA do roku 2025 vo výške 62 mpg oznámené pred desiatimi rokmi - ktoré boli čoskoro potom znížené na 56 mpg.

To ukazuje, že pokrok je dosť bolestivý a príliš ambiciózne ciele sa nemusia dosiahnuť bez pevného technologického základu a silných finančných stimulov na podporu zmeny.

Ostatné trhy sledujú rovnaký trend, pozri obr. 1.

Obr.1 Porovnanie noriem spotreby paliva na kľúčových trhoch s vozidlami (Zdroj: ICCT, september 2019)

V Európe Európsky parlament a Rada prijali nariadenie (EÚ) 2019/631, ktorým sa stanovujú emisné normy CO2 pre nové osobné automobily a nové dodávky na roky 2025 a 2030. Od roku 2021 je cieľ priemerných emisií pre celý vozový park EÚ pre nové automobily stanovený na 95 g CO2/km. To zodpovedá spotrebe paliva približne 4,1 l/100 km (57,4 mpg) benzínu alebo 3,6 l/100 km (65,3 mpg) nafty. Dnešné priemerné emisie CO2 z nových automobilov predávaných v EÚ sú približne 120 g CO2/km. Výrobcovia automobilov platia pokutu vo výške 95 EUR za každý g/km presahujúci cieľovú hodnotu.

Nové japonské normy spotreby paliva vydané pred rokom stanovili cieľ priemernej spotreby paliva ekvivalentnej benzínu flotily na 25,4 kilometra na liter (59,8 mpg) do roku 2030, čo je približne 30% zlepšenie oproti dnešnému priemeru vozového parku.

Tieto politické a ekonomické faktory zintenzívňujú výskumné a vývojové úsilie hlavných výrobcov OEM v ich snahe o lepšiu palivovú účinnosť. Okrem spoločného úsilia o elektrifikáciu pohonných jednotiek a využívanie alternatívnych zdrojov energie na zníženie emisií skleníkových plynov (GHG) sa kladie veľký dôraz na pochopenie tribologických aspektov energetických strát v hnacom ústrojenstve a využitie súčasného pokroku v mazacom inžinierstve a náteroch na minimalizáciu týchto strát. Na podporu takýchto ekologických inovácií sa výrobcom udeľujú "emisné kredity" za zavádzanie inovačných technológií, ktoré by na základe nezávisle overených údajov mali viesť k zníženiu emisií CO2, aj keď skúšobný postup použitý na typové schvaľovanie vozidiel nepreukázal žiadny účinok. Okrem toho sa výrobcom poskytujú "superkredity" za uvedenie automobilov s nulovými a nízkymi emisiami (BEV, PHEV) na trh, ktoré vypúšťajú menej ako 50 g CO2/km.

Náklady na vývoj, materiálové náklady a výrobné náklady sú vždy dôležitými faktormi pri posudzovaní trhového potenciálu toho či onoho prístupu.

Približne jedna tretina spotreby paliva v automobiloch je spôsobená stratami trením [1], pričom trenie hnacieho ústrojenstva je jedným z hlavných vinníkov, pozri obr. 2.

Obr.2 Straty energie v osobných automobiloch (Zdroj: www.fueleconomy.gov)

Preto sa vývoj pohonných jednotiek s nízkym trením považuje za dôležitý cieľ [1-3].

Úloha motorového oleja pri vývoji hnacieho ústrojenstva s nízkym trením

Predpokladá sa, že automobilové motory pracujú prevažne v hydrodynamickom režime [4-6]. Preto znížením viskozity maziva je možné znížiť trenie motora a zlepšiť spotrebu paliva vozidla. Na obr. 3 je znázornené, ako táto stratégia funguje: na ľavej strane je znázornená skutočná krivka krútiaceho momentu typického sériového motora 1,6 l GDI a na pravej strane je znázornená krivka krútiaceho momentu trenia pre ten istý motor meraná pomocou motorového zariadenia. Trenie "pohlcuje" približne 1/10 užitočného krútiaceho momentu, ktorý môže motor vyprodukovať. Skutočnosť, že trecí krútiaci moment sa zvyšuje s otáčkami motora, dokazuje hydrodynamický režim mazania. Preto výmena maziva na mazivo s nižšou viskozitou pomáha znižovať trecí moment pri vysokých otáčkach.

Obr.3 Krivka krútiaceho momentu (l.h.s.) a krivka krútiaceho momentu trenia (r.h.s.) pre sériový motor 1.6L i4 GDI. Znázornené sú aj primárne technické stratégie na zníženie trenia.

Počas posledných dvoch desaťročí bol zaznamenaný stabilný trend smerom k mazivám s nižšou viskozitou, pozri obr. 4. Preto bola norma SAE J300 v roku 2015 revidovaná tak, aby zahŕňala tri nové triedy viskozity zapaľovačov, SAE 16, 12 a 8. Ťažšie PCMO triedy SAE xW-40, xW-50 a xW-60 sa stávajú špecializovanými produktmi. Špecifikácia ILSAC GF-6 nezahŕňa ani viskozity nad SAE 30. Nasledujú mazivá pre automobilové prevodovky: Norma SAE J306 bola revidovaná v roku 2019 pridaním viskozitných stupňov SAE 75, 70 a 65.

V prípade osobných automobilov zmena zo staršej triedy SAE 10W-40 na 0W-20 prináša v testovacích podmienkach WLTP v priemere o 5 % zlepšenie spotreby paliva a následný prechod na 0W-8 môže priniesť ďalších 5 % za predpokladu, že hardvér motora bezpečne zvládne takú nízku viskozitu. V prípade ťažkých nákladných vozidiel je efekt oveľa menší: prechodom zo staršej verzie SAE 15W-40 na 5W-20 ušetríte maximálne 2 % v podmienkach ESC a ešte menej v podmienkach ETC. Mnoho starších konštrukcií HDDE nie je schopných pracovať s olejom s nízkou viskozitou.

Obr.4 Pokračujúci trend smerom k nižšej viskozite a nižším mazivám SAPS

Existuje však hlavná prekážka ďalšieho znižovania viskozity maziva: je to opotrebovanie [7-11]. Hrúbka fólie hydrodynamického maziva je priamo úmerná viskozite maziva. Preto, aby sa zachoval hydrodynamický režim mazania, bude potrebné zmeniť špecifikácie povrchovej úpravy a modernizovať olejové čerpadlo a systém filtrácie oleja [7]. Bez toho je riziko nadmerného opotrebovania skutočné a nemožno ho ignorovať, pozri obr. 5-6

Obr.5 Simulované ΔBSFC a nesúce zdravotné mapy pre moderný motor osobných automobilov (po D.E. Sander et al. [8])

Obr. 5 ukazuje simulovanú mapu ΔBSFC pre moderný motor osobného automobilu a simulovanú mapu stavu ložísk. V strede je znázornená zmena BSFC pri zmene zo SAE 0W-20 (ľavá strana) na 0W-8 (v strede), zelená oblasť zodpovedá zlepšenej spotrebe paliva, červená oblasť - zhoršenej spotrebe paliva. Zníženie BSFC je možné až o 20%. Bohužiaľ, maximálny účinok je obmedzený na nesprávnu časť mapy: stredné až vysoké otáčky motora a nízke zaťaženie. Takéto podmienky platia pre motor s otáčkami pri voľnobehu. V blízkosti motora "sladké miesto" sa účinok na BSFC zníži na 10%. Najproblematickejším pozorovaním je však červená oblasť pri nízkych otáčkach a vysokom zaťažení motora, pretože to znamená nielen zhoršenú spotrebu paliva, ale aj zvýšené riziko opotrebovania [5,7-12]. Potvrdzuje to simulácia hlavného zdravia ložísk.

Podobné trendy boli pozorované pri dieselových motoroch pre ťažké zaťaženie, pozri obr. 6. V skutočnosti je nesúlad v tomto prípade ešte zreteľnejší, pretože maximálny efekt úspory paliva prichádza pri nízkom zaťažení a vysokých otáčkach, zatiaľ čo k najväčšiemu opotrebovaniu dochádza pri vysokom zaťažení a nízkych otáčkach, blízko sladkého miesta motora. Pri mnohých motoroch problémy začínajú už pri prechode zo staršieho API CJ-4 alebo jeho spätne kompatibilného nástupcu API CK-4 na ľahší motorový olej FA-4. Niektoré nové motory – napr. od spoločností Scania a DAF – môžu zároveň bezpečne používať ľahké oleje ako 5W-20 a dokonca 0W-16.

Obr.6 Potenciálne problémy s opotrebovaním pri HDEO s ultranízkou viskozitou (podľa P. Klejwegt et al. [9])

Vyššie uvedené príklady ukazujú, že pri podmienkach nízkej rýchlosti - vysokého zaťaženia môže mazací film zlyhať. Problémy pri vysokých otáčkach sú väčšinou spojené s nedostatočnou kapacitou olejového čerpadla a môžu byť vyriešené použitím variabilných čerpadiel. Pri vysokých otáčkach motora zohrávajú zvýšenú úlohu aj zotrvačné sily pôsobiace na vratnú skupinu a účinky kavitácie. To môže spôsobiť problémy s malým koncom rozhrania ojnice / zápästia a ložísk. Všeobecne platí, že mazivá s nižšou viskozitou majú tendenciu byť menej náchylné na kavitáciu.

Pretože hydrodynamický film sa zrúti, keď nie je relatívny pohyb medzi trecími povrchmi, problémy s opotrebovaním spojené so zavedením mazív s nízkou viskozitou sa ďalej zhoršujú v dôsledku technológie automatického štart-stop [13,14]. Použitie elektrických olejových čerpadiel a valivých ložísk pre vačkový hriadeľ a vyvažovací hriadeľ pomáha zmierniť tento problém. Skúšali sa aj kľukové hriadele podopreté valivými ložiskami, ale zistili sa, že sú nepraktické.

Formulácie mazív kľukovej skrine je možné doladiť pre optimálny výkon za špecifických podmienok. Napríklad motorový olej môže byť navrhnutý tak, aby podával najlepší výkon pri vysokých otáčkach a teplotách motora, ako je to v prípade pretekárskych olejov. Pretekársky olej by však nebol dobrou voľbou pre cestné autá v mestskej premávke. Naopak, je možné navrhnúť motorový olej tak, aby fungoval čo najlepšie v mestskej premávke, ale potom sa mu nemusí podariť získať "šišku" šetriacu zdroje.

Na rozdiel od pretekárskych olejov sú bežné mazivá formulované tak, aby vyvažovali veľké množstvo rôznych vlastností, akúsi vedomú a nevyhnutnú zmenu paradigmy od "byť v niečom najlepší" k "byť dosť dobrý vo všetkom. Keďže úspora paliva sa považuje za mimoriadne dôležitý aspekt výkonu – v skutočnosti to mnohé schválenia výrobcov OEM výslovne vyžadujú – prechod na nižšiu viskozitu bude pokračovať. Treba si však uvedomiť, že palivové oleje nemajú pre koncového spotrebiteľa veľký ekonomický zmysel – hovoríme o úspore paliva približne 100 eur v porovnaní s rizikom 1000 eur, ak je olej príliš tenký a spôsobuje nadmerné opotrebovanie motora. Výhody týchto olejov však plynú výrobcom automobilov. Ak ich vozidlá môžu ušetriť 1-2% paliva použitím špeciálneho maziva na úsporu paliva, potom tento výrobca OEM môže drasticky znížiť výšku pokút, ktoré možno budú musieť zaplatiť.

Použitie modifikátorov trenia v mazivách kľukovej skrine

Zvýšené požiadavky na výkon mazív vysvetľujú trvalý nárast podielu syntetických mazív na trhu za posledné dve desaťročia. Syntetické základové oleje majú viacero výhod: lepšiu konzistenciu vlastností, vyššiu oxidačnú stabilitu, lepšie prietokové vlastnosti pri nízkej teplote, nízku prchavosť atď., pozri obr. 7 V kombinácii so správnymi prísadami sa syntetické základové oleje môžu použiť na výrobu mazív s vynikajúcimi vlastnosťami. Jeden typ prísad si zaslúži osobitnú zmienku ako motorové oleje na úsporu paliva: modifikátory trenia. Modifikátory trenia sú nepostrádateľným nástrojom pre "inteligentné olejové inžinierstvo", pozri obr. 3.

Obr.7 Prechod na úsporu paliva plne syntetický motorový olej

Modifikátory trenia možno zhruba zoskupiť do dvoch hlavných kategórií: 1. systémy tuhých častíc (PTFE, grafit, grafén, MoS2, WS2, IF-WS2, nanočastice kyseliny nanoboritej, oleátu medi/medi atď.); (2) systémy tvoriace adsorpčnú vrstvu, ktoré zase môžu byť monomolekulárne (glycerolmonooleát, sorbitan monooleát, mastné triglyceridy, estery hydroxykarboxylových kyselín, fosfátové estery, estery boritanov, mastné kyseliny, mastné amidy, mastné amíny, sírne tuky atď.) a polymérne (metakryláty, polyestery, polyétery, polyamidy, polymerizované rastlinné oleje atď.). Hlavnou výhodou systémov pevných častíc je ich relatívne vysoká chemická stabilita, zatiaľ čo ich hlavnou nevýhodou je sklon k separácii. Systémy pevných častíc majú tendenciu spôsobiť, že zloženie maziva je nepriehľadné, čo nie je vždy prijateľné. Systém modifikácie trenia pevných častíc sa používa napríklad v balíku prísad do motorového oleja Lubrizol 21307. Systémy na tvarovanie adsorpčnej vrstvy sú početné: na trhu sú stovky komerčných produktov.

Hlavným rozdielom medzi monomolekulárnymi a polymérnymi modifikátormi trenia je kompaktnosť adsorbovaných vrstiev. Zatiaľ čo monomolekulárne OFM majú tendenciu produkovať husté molekulárne vrstvy podobné kefke, polymérne OFM produkujú "gélové" adsorpčné vrstvy. Tieto vrstvy spôsobujú odpudzovanie medzi povrchmi – rovnako ako polymérne dispergátory – čo prispieva k takzvanému efektu "supermazania": majú tendenciu posúvať Stribeckovu krivku doľava rozšírením rozsahu celovrstvového mazania smerom k vyšším zaťaženiam [2,16]. Nemusia však nevyhnutne znižovať trenie v celovrstvovom mazacom režime.

Zdá sa, že husto zabalené štruktúry podobné kefám poskytujú najlepší efekt znižujúci trenie v laboratórnych testoch, ako sú HFRR, pin-on-disk, Cameron-Plint, MTM atď. Na druhej strane sú náchylnejšie na vytesnenie iných povrchovo aktívnych druhov v dôsledku kompetitívnej adsorpcie. Napríklad glyceryl monooleát môže účinne vytlačiť fosforotioát molybdénu z povrchu. Z rovnakého dôvodu strácajú prísady molybdénu účinnosť, keď sa používajú v kombinácii s určitými esterovými základovými olejmi.

Zmiešané systémy môžu kombinovať supermazateľnosť s hraničnou mazateľnosťou. Napríklad polymerizovaný rastlinný olej zvyčajne obsahuje malé množstvo mastných kyselín a čiastočných glycerolových esterov. Molekuly polyméru poskytujú sterické odpudzovanie medzi trecími povrchmi, zatiaľ čo mastné kyseliny a čiastočné glycerolové estery zvyšujú hraničnú mazateľnosť [17]. Mnoho komerčných systémov OFM vykazuje rovnakú vlastnosť (napríklad Perfad 3000 od spoločnosti Croda). Tento typ správania sa dá ľahko simulovať v laboratórnych testoch kombináciou bežných zlepšovačov VI, ako je PIB alebo polystyrén, s glycerolmonooleátom alebo sorbitanom monooleátom.

Povrchové gélové OFM sa s menšou pravdepodobnosťou zapoja do konkurenčnej adsorpcie, pretože majú menej "kotiev" na jednotku plochy. To umožňuje vyvinúť formulácie kombinujúce priaznivé vlastnosti extrémneho tlaku s účinkom "supermazateľnosti"; pozri napríklad obr. 8 [18].

Podobný efekt supermazania možno zažiť pri chôdzi po klzkých skalách pobrežia. Riasový sliz rastúci na skalách si zachováva dostatočne hrubú vrstvu vody, ktorá pôsobí ako mazivo medzi nohami a povrchom skaly. Bez tohto slizu by sila vodného filmu nebola dostatočná na podporu vašich nôh. Adsorpčné vrstvy vytvorené takýmito povrchovo gélovými prísadami do supermaziva sú viskoelastické (alebo pseudoplastické) a majú priaznivý tribologický účinok, pretože znižujú trenie a opotrebovanie, ako aj súvisiaci rozptyl energie a budenie hluku. Pomáhajú tiež rozpustiť častice tým, že pôsobia ako polymérne dispergátory. Rozdeľovacia sila medzi dvoma povrchmi v prítomnosti takýchto prísad sa môže priamo merať pomocou mikroskopie atómovej sily, obr. 9 [13]

Obr.8 Synergický systém modifikátorov trenia obsahujúci polymérny modifikátor trenia a moly aditívum [18]

Obr.9 Merania AFM ukazujúce odpudivú silu spôsobenú povrchovou gélovou vrstvou tvorenou povrchovo aktívnym blokovým kopolymérnym aditívom supermaziva [13]

Anorganické modifikátory trenia rozpustné v oleji, ako sú fosforoditioáty molybdéndi(2-etylhexylu), mastné amidy kyseliny molybdénovej a volfstickej, antimón dialkyl fosforoditioát, estery boritanu môžu fungovať dvoma rôznymi spôsobmi: Po prvé, pôsobia adsorpciou - a ich afinita k kovovým povrchom je zvyčajne vyššia ako u OFM. Po druhé, môžu podstúpiť tribomutáciu pri extrémnom tlaku a/alebo šmykových podmienkach, pričom sa na trecie povrchy, ktoré sú v kontakte, ukladajú pevné vrstvy maziva. Deriváty molybdénu sa teda premieňajú na MoS2, volfrám - na WS2, boritan - na kyselinu boritú atď. Anorganické modifikátory trenia pritom zohrávajú zásadnú úlohu v procese zábehu [19]. Táto vlastnosť slúži aj ako základ pre mechanochemickú povrchovú úpravu [20] a vedie k zníženiu trenia a opotrebenia, pozri obr.10.

Obr.10 Vplyv ZDDP a anorganických modifikátorov trenia na trenie ventilového ústrojenstva (podľa Ashwortha et al. [21])

Vplyv motorového oleja na trenie motora pre rôzne konštrukcie motorov

Ako už bolo spomenuté v úvode, zmena na mazivo s nižšou viskozitou pomáha znižovať trenie motora. Najlepším spôsobom, ako to ilustrovať, je použitie motorových motorových zariadení [4,13]. Na obr. 11-13 sú znázornené údaje o trecom momente pre dva rôzne benzínové motory. Použité, ale funkčné sériové motory 2L i4 boli použité na stavbu súprav. Súpravy boli prevádzkované bez tlaku, pomocou externého bezpulzného elektrického olejového čerpadla na prívod oleja. Na zníženie dátového šumu sa použilo aj ťažké zotrvačník. Hlavným rozdielom medzi motormi bol povrch otvoru valca: honovaná liatina vs tepelne striekaná a typ ventilového vlaku: priamo pôsobiace mechanické vedro (DAMB) vs sledovač valčekových prstov (RFF).

Obr. 11 ukazuje vplyv teploty oleja na trenie motora. Ako sa očakávalo, nižšia teplota oleja je spojená s vyšším trením. Pre staršiu konštrukciu motora (motor A: Ford Duratec) s použitím konvenčných otvorov liatinových valcov a ventilového ústrojenstva DAMB dochádza k miernemu zvýšeniu trenia na konci nízkych otáčok: to možno pripísať kolapsu hydrodynamického mazivového filmu a nadmernému hraničnému treniu vo ventilovom ústrojenstve a vratnej skupine. Pre novšiu konštrukciu motora (motor B: Mercedes Benz M133) s otvormi potiahnutými striekaním a ventilovým ústrojenstvom RFF je trecí moment takmer lineárne závislý od otáčok motora. To ukazuje, že nový dizajn umožňuje účinne odvrátiť hraničné trenie.

Obr. 12 ukazuje vplyv viskozity oleja pri pracovnej teplote 90°C. Prechod zo staršej triedy SAE 10W-40 na 0W-16 umožňuje takmer dvojnásobné zníženie trenia motora pri vysokých otáčkach. Efekt sa však postupne znižuje, keď ide o nižšie otáčky. Je zaujímavé, že u staršieho motora olej s najnižšou viskozitou poskytuje najvyššie trenie na konci nízkych otáčok. Opäť to ukazuje, že kolaps hydrodynamického mazivového filmu môže byť skutočným problémom.

Nakoniec obr. 13 ukazuje, ako trenie motora reaguje na použitie modifikátora trenia v zložení maziva. Je vidieť, že motor s ventilovým ústrojenstvom DAMB a konvenčnými otvormi liatinového valca získava väčší úžitok z použitia modifikátorov trenia ako motor s ventilovým ústrojenstvom RFF a tepelne striekanými otvormi. Z toho vyplýva, že nasadenie modifikátorov trenia má zmysel len vtedy, keď existuje podstatný podiel hraničného trenia na celkovej strate energie.

Obr.11 Vplyv teploty oleja na trenie motora: l.h.s. - Motor A, r.h.s. - Motor B.

Obr.12 Vplyv stupňa viskozity oleja na trenie motora pri 90 °C: l.h.s. - motor A, r.h.s. - motor B.

Obr.13 Vplyv modifikátora trenia molybdénu na trenie motora: l.h.s. - Motor A, r.h.s. - Motor B.

Je dôležité pochopiť, že rôzne modifikátory trenia môžu navzájom súťažiť o voľné miesta povrchu a môžu tiež súťažiť s inou dôležitou triedou prísad, ktoré sú vždy prítomné v mazivových formuláciách kľukovej skrine - detergenty [22]. V dôsledku toho môžu mať dve rôzne olejové formulácie s presne rovnakými viskometrickými vlastnosťami stále odlišnú spotrebu paliva, hoci odchýlky sotva niekedy prekročia 1 percento.

Niektoré poznatky týkajúce sa hybridných pohonných jednotiek

Hybridné pohonné jednotky prinášajú nové výzvy pre výrobcov olejových receptúr: keďže motor so spaľovacím motorom nesvieti počas používania vozidla natrvalo, nemusí dosiahnuť pracovnú mieru. To vytvára podmienky pre kondenzáciu vody na stenách výkonového valca, po ktorej nasleduje akumulácia vody v kľukovej skrini. Keďže OFM sú povrchovo aktívne, pomáhajú rozpustiť vodu a odvádzať ju preč z kľukovej skrine. Riadiaca elektronika hnacej sústavy musí v intervaloch zapájať spaľovací motor, aby zahriala olej a odparila prebytočnú vodu.

Ďalším dôležitým aspektom, prečo sú OFM také dôležité pre motorové oleje pre hybridné automobily, je dodatočná úspora paliva. Hybridy majú tendenciu používať mazivá s nízkou a ultranízkou viskozitou: od 0W-20 (Volvo, Mercedes) až po 0W-8 (Honda). Viskozita oleja má dominantný vplyv na spotrebu paliva pri nízkych otáčkach. Tento prevádzkový režim je však v reálnom živote relatívne nedôležitý. Na druhej strane, OFM pomáhajú zlepšovať spotrebu paliva pri nízkych otáčkach a hranici vysokého zaťaženia, ktorá leží bližšie k sladkému miestu motora a je najzaujímavejšia z praktického hľadiska. Okrem toho OFM pomáhajú minimalizovať závislosť od anorganických modifikátorov trenia, ktoré môžu byť potenciálne škodlivé pre zariadenie na reguláciu výfukových plynov. Obr. 14 ukazuje, že organické modifikátory trenia môžu úspešne konkurovať MoDTC z hľadiska účinku znižujúceho trenie.

Obr.14 Údaje z testu MTM porovnávajúce dva komerčné organické modifikátory trenia s MoDTC v základovom oleji PAO. Použili sa tieto skúšobné podmienky: SRR 50%, zaťaženie 36N, teplota 100°C.

V neposlednom rade: polymérne OFM fungujú pekne v kombinácii s olejom rozpustným polyéterom (OSP) a esterovými základovými olejmi, ktoré sa často používajú v mazivách s ultranízkou viskozitou (triedy 0W-8 a 0W-12), zatiaľ čo prísady molybdénu sa v tomto prípade ukazujú ako menej účinné.

V Japonsku sa prechod na olej SAE 0W-20 začal už okolo roku 1980 a prvý podobný produkt SAE 0W-16 (v tom čase neexistovali žiadne označenia J300 pre viskozitné triedy nižšie ako SAE 20) bol predstavený v roku 2010. V súčasnosti Honda a Toyota aktívne podporujú technológiu SAE 0W-8, ktorá prináša v priemere 3-4% zlepšenie spotreby paliva v porovnaní so SAE 0W-20. Bol vyvinutý nový test úspory paliva JASO, ktorý pravdepodobne nahradí existujúcu sekvenciu VIF v budúcej špecifikácii ILSAC GF-7. Vývoj novej normy – známej ako JASO M364:2019 – a špecifikácie oleja – JASO GLV-1 – bol dokončený v roku 2019 [23]. Na test spotreby paliva je možné použiť buď spaľovací motor Toyota 2ZR-FXE 1.8L alebo motorový motor Nissan MR20DD 2.0L. Navrhované limity spotreby paliva pre novú špecifikáciu JASO GLV-1 sú >1,1 % (spaľovanie) a >2,0 % (motorový) v porovnaní s referenčným olejom SAE 0W-16. ILSAC GF-7 pravdepodobne nepríde skôr ako v roku 2025 - ak vôbec príde, berúc do úvahy všetky prekážky, oneskorenia, neúmerné náklady a obmedzenú užitočnosť kategórie ILSAC GF-6.

Záverečné poznámky

Motorový olej je dôležitým prvkom vo vývoji hnacích sústav s nízkym trením. Prechod na motorový olej s nízkou viskozitou je efektívny spôsob, ako znížiť straty trením v spaľovacích motoroch. Olej s nízkou viskozitou má však tendenciu ohrozovať ochranu proti opotrebeniu, čo si vyžaduje nasadenie modifikátorov trenia a prísad proti opotrebeniu do mazív kľukovej skrine. Spolu so širším prijatím syntetických základových olejov sa očakáva, že modifikátory trenia budú v budúcnosti zohrávať čoraz dôležitejšiu úlohu.

Konflikt záujmov

Autori vyhlasujú, že výskum bol vykonaný bez akýchkoľvek obchodných alebo finančných vzťahov, ktoré by mohli byť interpretované ako potenciálny konflikt záujmov.

Príspevky autora

Boris Zhmud stojí za všeobecnou myšlienkou článku a výskumnými údajmi. Arthur Coen a Karima Zitouni prispeli do časti o použití rôznych tried modifikátorov trenia.

Acknowledgements

Robert Ian Taylor ďakuje za inšpiratívnu diskusiu a komentáre týkajúce sa trecích testov motorových motorov. Peter Klejwegt je poďakovaný za to, že sa podelil o svoje skúsenosti s motorovým olejom na úsporu paliva pre náročné aplikácie.

References

1.  K. Holmberg, P. Andersson, A. Erdemir. Globálna spotreba energie v dôsledku trenia v osobných automobiloch. Medzinárodná tribológia, 47 (2012) 221.
2. B. Zhmud, Vývoj energeticky účinných mazív a náterov pre automobilové aplikácie, Tribológia a mazacia technológia 67(9) (2011) 42.
3. B. Zhmud, Snaha o lepšiu spotrebu paliva: Zníženie trenia motora pomáha maximalizovať kilometre na galón, The Vehicle Component 5 (2012) 18.
4. R.I. Taylor, N. Morgan, R. Mainwaring, T. Davenport, Koľko zmiešaného/hraničného trenia je v motore - a kde je? Proc IMechE časť J: J. Inžinierska tribológia 234 (2020) 1563.
5. B. Zhmud, Tribológia motora: tŕnistá cesta z laboratória do poľa, Lube 154 (2019) 20.
6. R.I. Taylor, R.C. Coy, Zlepšená úspora paliva vďaka dizajnu mazív: Recenzia, Proc. Inst. Mach. Eng. 214 (1999) 1.
7. B. Tatievski, B. Zhmud, "Motorové oleje na spotrebu paliva: Vedecké zdôvodnenie a kontroverzie", v Proc. 20. medzinárodné kolokvium tribológie, Stuttgart, Nemecko, 12. – 14. januára 2016.
8. D.E. Sander, H. Allmaier, C. Knauder, F. Strömstedt, Potenciály a riziká znižovania trenia s budúcimi motorovými olejmi s ultranízkou viskozitou. MTZ celosvetovo 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, Benelux Smeermiddelen Congres, Retie, Belgicko, 26. septembra 2019.
10. G. Lechner, A. Knafl, D. Assanis, S. Tseregounis, M. McMillan, S. Tung, P. Mulawa, E. Bardasz, S. Cowling, Účinky motorového oleja na trenie a emisie ľahkého vznetového motora s priamym vstrekovaním paliva, časť 1 - Výsledky testov motora. Technické dokumenty SAE 2002-01-2681.
11. S. Tung, M. McMillan, G. Hong, E. Bardasz, Účinky motorového oleja na trenie a opotrebovanie s použitím 2.2 l komponentov vznetového motora s priamym vstrekovaním na skúšobnom zariadení, časť 2: Výsledky tribologických testov na skúšobnej stolici a povrchové analýzy. Technické dokumenty SAE 2004-01-2005.
12. B. Zhmud, E. Tomanik, "Optimalizácia tribológie piest/vŕtanie: Úloha špecifikácií povrchu, krúžkového balenia a maziva." Medzinárodné kolokvium Tribológia, Esslingen, Nemecko, 28. - 30. januára 2020.
13. B. Zhmud, B. Tatievski, "Príprava na ILSAC GF-6: Výhody plne syntetických motorových olejov pre zvýšenie spotreby paliva." Svetový tribologický kongres, Peking, Čína, september 17-22, 2017.
14. B. Zhmud, "Súčasné pokroky v mazivách kľukovej skrine." Európsky samit o ropách a mazivách, Rotterdam, Holandsko, 20. – 21. novembra 2019.
15. H. Hroty, prísady modifikátora trenia, Trib. Nech. 60 (2015) 5.
16. B. Zhmud, M. Roegiers, Nové základové oleje predstavujú výzvu pre rozpustnosť a mazateľnosť, Tribology and Lubrication Technology 65(7) (2009) 34.
17. M. Roegiers, B. Zhmud, Tribologický výkon ionizovaných rastlinných olejov ako prísad do mazív a mastných olejov v mazivách a palivách, Lubrication Science 21 (2009) 169.
18. M.C. Southby, H. Gao, C. Chen, C.A. Brada, B.L. Parke, Mazacia kompozícia, WO Patent 2015193395, 23. decembra 2015.
19. S. Li, R. Zhang, Y. Jin, Y. Wang, S. Tung, Tribokarbonizácia syntetického motorového oleja v klznom kontakte s mazaným piestnym krúžkom/vŕtaním valca a jeho vzťah k treniu a opotrebovaniu. Vestník syntetického mazania 20 (2003) 203.
20. B. Zhmud, "Vo výrobe zábeh komponentov motora pomocou tribokondicionérskeho® procesu", v M. Abdel Wahab (Ed.): FFW 2018, LNME, s. 671 – 681, 2019.
21. S. Ashworth, K. Mistry, A. Morina, A. Neville, Jednovačkový tribometer na hodnotenie tribologických parametrov a tribochémie DLC potiahnutého sledovača ventilového vlaku. Tribológia - materiály, povrchy a rozhrania, 6 (2012) 31.
22. S. Li, R. Zhang, Y. Jin, Y. Wang, S. Tung, Konkurenčné povrchové interakcie kritických prísad s komponentmi piestneho krúžku / vložky valca v podmienkach mazania. Tribologické transakcie 46 (2003) 200.
23. S. Yoshida, K. Yamamori, S. Hirano, T. Sagawa a kol., Vývoj špecifikácie automobilových benzínových motorových olejov JASO GLV-1 novej generácie s nízkou viskozitou. Technický dokument SAE 2020-01-1426