Motorna olja z ekonomičnostjo porabe goriva: Znanstvena utemeljitev in polemike

Abstract

Ker znaten del izgub energije v motorju z notranjim zgorevanjem izhaja iz viskoznega odvajanja, se je trend preusmeril v olja z nizko viskoznostjo iz SAE 40 in 50 v 1960-ih do 1980-ih na sedanje SAE 20 in nižje viskoznosti. Uporaba motornih olj z nizko viskoznostjo znatno zmanjša izgube energije v glavnih ležajih in batnih/izvrtinskih sistemih, medtem ko se lahko tribološke obremenitve ventilskega vlaka - zlasti pri motorjih s ploščatimi odtoki - povečajo. To je močan argument za uvedbo novih razredov modifikatorjev trenja in dodatkov proti obrabi. Vendar pa razvoj uravnotežene formulacije ni tako preprost, kot se zdi, in zaradi aditivnih interakcij se lahko pojavijo številne pasti. Druga resna težava je, da je opredelitev "motornega olja z ekonomičnostjo porabe goriva" precej nejasna, saj je odvisna od izbire referenčnega olja. Danes ocena ekonomičnosti porabe goriva temelji na preskusih zaporedja VIE ali VIF z bencinskim motorjem 3.6L GM V6 2012. Ni nepričakovano, da bodo rezultati tega preskusa v veliki meri zavajajoči, če jih ekstrapoliramo na sodobne motorje z nizko prostornino z močno ojačano prostornino. Zato obstajajo tudi številni preskusi ekonomičnosti porabe goriva, specifični za proizvajalce originalne opreme, različni modeli motorjev pa pogosto dajejo sporne rezultate. Poleg tega se lahko zmogljivost "ekonomičnosti porabe goriva" istega olja v istem motorju dramatično spremeni glede na vozni cikel. Na primer, olje z nizko viskoznostjo lahko poveča ekonomičnost porabe goriva pri potovalnih hitrostih (visoka hitrost / nizka omejitev obremenitve) in poslabša ekonomičnost porabe goriva med agresivno mestno vožnjo (nizka hitrost / visoka obremenitev).

Vse zgoraj navedene okoliščine je treba upoštevati pri poskusu uskladitve normativnih trditev o uspešnosti s pričakovanji kupcev.

Introduction

Novi standardi ekonomičnosti porabe goriva za avtomobile, ki so jih postavile vlade v večjih gospodarstvih skupine G20, in spremembe preferenc kupcev zaradi visokih cen goriva skupaj z davki na ogljikov dioksid povečujejo pritisk na proizvajalce avtomobilov. V ZDA sta Nacionalna uprava za varnost v cestnem prometu (NHTSA) in Agencija za varstvo okolja (EPA) nedavno izdali pravilo o varnejših cenovno dostopnih vozilih z učinkovito porabo goriva (SAFE), ki določa stroge standarde ekonomičnosti porabe goriva in ogljikovega dioksida. Ti standardi veljajo za osebne avtomobile in lahke tovornjake ter določajo premični cilj, ki se bo od modelnih let 2021 do leta 2026 vsako leto povečal za 1,5%. Omeniti velja, da je bila ob upoštevanju realnosti trga črta pričakovanj znižana na 40,4 mpg, predvideno skupno povprečje zahtevane porabe goriva v industriji v mojem letu 2026, v primerjavi s predvidenimi zahtevami 46,7 mpg v skladu s standardi iz leta 2012. Slednji je bil ponovno nižji od prvotnih ciljev EPA za leto 2025, ki so znašali 62 mpg, napovedanih pred desetletjem - ki so se kmalu zatem zmanjšali na 56 mpg.

To kaže, da je napredek precej boleč in da preveč ambicioznih ciljev morda ne bo mogoče doseči brez trdnih tehnoloških temeljev in močnih finančnih spodbud za spodbujanje sprememb.

Drugi trgi sledijo istemu trendu, glej sliko 1.

Slika 1 Primerjava standardov ekonomičnosti porabe goriva na ključnih trgih vozil (Vir: ICCT, september 2019)

V Evropi sta Evropski parlament in Svet sprejela Uredbo (EU) 2019/631, ki določa standarde emisijskih vrednosti CO2 za nove osebne avtomobile in nova kombinirana vozila za leti 2025 in 2030. Od leta 2021 je povprečni cilj emisij za celotni vozni park EU za nove avtomobile določen na 95 g CO2/km. To ustreza porabi goriva približno 4,1 l/100 km (57,4 mpg) bencina ali 3,6 l/100 km (65,3 mpg) dizelskega goriva. Današnje povprečne emisije CO2 za nove avtomobile, prodane v EU, znašajo približno 120 g CO2/km. Proizvajalci avtomobilov plačajo kazen v višini 95 evrov za vsak g/km, ki presega cilj.

Novi japonski standardi ekonomičnosti porabe goriva, izdani pred enim letom, so določili cilj povprečne ekvivalentne porabe goriva v voznem parku na 25,4 kilometra na liter (59,8 mpg) do leta 2030, kar je približno 30% več od današnjega povprečja voznega parka.

Ti politični in gospodarski dejavniki krepijo raziskovalna in razvojna prizadevanja glavnih proizvajalcev originalne opreme v prizadevanjih za boljšo učinkovitost porabe goriva. Poleg usklajenih prizadevanj za elektrifikacijo pogonskih sklopov in uporabo alternativnih virov energije za zmanjšanje emisij toplogrednih plinov (TGP) je velik poudarek na razumevanju triboloških vidikov izgub energije v pogonskem sistemu in uporabi trenutnega napredka v inženiringu mazanja in premazih za zmanjšanje teh izgub. Za spodbujanje takšnih ekoloških inovacij se proizvajalcem dodelijo "emisijski dobropisi" za uvedbo inovativnih tehnologij, ki bi morale – na podlagi neodvisno preverjenih podatkov – privesti do zmanjšanja emisij CO2, čeprav preskusni postopek, ki se uporablja za homologacijo vozil, ne kaže nobenega učinka. Poleg tega se proizvajalcem dodelijo "superkrediti" za dajanje na trg brezemisijskih in nizkoemisijskih avtomobilov (BEV, PHEV), ki izpuščajo manj kot 50 g CO2/km.

Stroški razvoja, materialni stroški in proizvodni stroški so vedno pomembni dejavniki pri ocenjevanju tržnega potenciala enega ali drugega pristopa.

Približno tretjina porabe goriva v avtomobilih je posledica izgub trenja [1], pri čemer je trenje pogonskega sklopa eden glavnih krivcev, glej sliko 2.

Slika 2 Izgube energije v osebnih avtomobilih (Vir: www.fueleconomy.gov)

Zato se razvoj pogonskih sklopov z nizkim trenjem obravnava kot pomemben cilj [1-3].

Vloga motornega olja pri razvoju pogonskega sklopa z nizkim trenjem

Avtomobilski motorji naj bi delovali pretežno v hidrodinamičnem režimu [4-6]. Zato lahko z zmanjšanjem viskoznosti maziva zmanjšamo trenje motorja in izboljšamo ekonomičnost porabe goriva vozila. Slika 3 pojasnjuje, kako deluje ta strategija: na levi strani je prikazana dejanska krivulja navora tipičnega proizvedenega 1,6-litrskega motorja GDI, na desni strani pa krivulja tornega navora za isti motor, izmerjena z motorno napravo. Trenje "poje" približno 1/10 uporabnega navora, ki ga lahko proizvede motor. Dejstvo, da se torni navor povečuje s številom vrtljajev motorja, dokazuje hidrodinamični režim mazanja. Zato prehod na mazivo z nižjo viskoznostjo pomaga zmanjšati torni navor pri visokih vrtljajih.

Slika 3 Krivulja navora (l.h.s.) in krivulja tornega navora (r.h.s.) za serijsko proizveden motor 1.6L i4 GDI. Prikazane so tudi primarne inženirske strategije za zmanjšanje trenja.

V zadnjih dveh desetletjih je prišlo do stalnega trenda maziv z nižjo viskoznostjo, glej sliko 4. Tako je bil standard SAE J300 leta 2015 revidiran in vključuje tri nove razrede lažje viskoznosti, SAE 16, 12 in 8. Težji razredi PCMO SAE xW-40, xW-50 in xW-60 postajajo nišni izdelki. Specifikacija ILSAC GF-6 ne vključuje niti viskoznosti nad SAE 30. Avtomobilska maziva sledijo temu: Standard SAE J306 je bil revidiran leta 2019 in je dodal stopnje viskoznosti SAE 75, 70 in 65.

Pri osebnih avtomobilih sprememba starega razreda SAE 10W-40 na 0W-20 v povprečju pomeni 5-odstotno izboljšanje ekonomičnosti porabe goriva pri preskusnih pogojih WLTP, kasnejša migracija na 0W-8 pa lahko prinese dodatnih 5 %, če strojna oprema motorja lahko varno obvladuje tako nizko viskoznost. Pri težkih tovornjakih je učinek veliko manjši: s prehodom s starega SAE 15W-40 na 5W-20 prihranimo največ 2% pod pogoji ESC, še manj pa pod pogoji ETC. Veliko starejših modelov HDDE ne more delovati z oljem z nizko viskoznostjo.

Slika 4 Stalni trend nižje viskoznosti in nižjih maziv SAPS

Vendar pa obstaja primarna ovira za nadaljnje zniževanje viskoznosti maziva: obraba [7-11]. Debelina hidrodinamičnega mazivnega filma je neposredno sorazmerna viskoznosti maziva. Da bi ohranili hidrodinamični režim mazanja, bomo morali spremeniti specifikacije površinske obdelave in nadgraditi oljno črpalko in sistem za filtriranje olja [7]. Brez tega je tveganje prekomerne obrabe resnično in ga ni mogoče prezreti, glej sl. 5-6

Slika 5 Simulirana ΔBSFC in nosilne karte zdravja za sodoben motor osebnega avtomobila (po D.E. Sander et al. [8])

Slika 5 prikazuje simuliran zemljevid ΔBSFC za sodoben motor osebnega avtomobila in simuliran zemljevid zdravja ležajev za isto motor. Na sredini je prikazana sprememba BSFC pri prehodu s SAE 0W-20 (leva stran) na 0W-8 (na sredini), zelena površina, ki ustreza izboljšani ekonomičnosti porabe goriva, rdeče območje - do zmanjšane ekonomičnosti porabe goriva. Izvedljivo je do 20-odstotno zmanjšanje BSFC. Na žalost je največji učinek omejen na napačen del zemljevida: srednje do visoke vrtilne frekvence motorja in nizka obremenitev. Taki pogoji veljajo za vrtenje motorja v prostem teku. V bližini motorja "sladko mesto" se učinek na BSFC zmanjša na 10%. Vendar pa je najbolj problematično opazovanje rdeče območje pri nizkih vrtljajih in visoki obremenitvi motorja, saj to ne pomeni le zmanjšane ekonomičnosti porabe goriva, temveč tudi povečano tveganje obrabe [5,7-12]. To potrjuje glavna simulacija zdravja ležajev.

Podobni trendi so bili opaženi pri težkih dizelskih motorjih, glej sliko 6. Pravzaprav je neusklajenost v tem primeru še bolj očitna, saj je največji učinek varčevanja z gorivom pri nizki obremenitvi in visokih vrtljajih, medtem ko se največja obraba pojavi pri visoki obremenitvi in nizki hitrosti, blizu sladkega mesta motorja. Pri številnih motorjih se težave začnejo že pri prehodu s starega API CJ-4 ali njegovega naslednika API CK-4, združljivega z nazaj, na lažje motorno olje FA-4. Hkrati lahko nekateri novi motorji – npr. Scania in DAF – varno uporabljajo olja, ki so lahka kot 5W-20 in celo 0W-16.

Slika 6 Morebitne težave z obrabo z ultranizko viskoznostjo HDEO (po P. Klejwegt et al. [9])

Zgornji primeri kažejo, da lahko mazalni film odpove pod pogoji nizke hitrosti - visoke obremenitve. Težave pri visokih hitrostih so večinoma povezane z neustrezno zmogljivostjo oljne črpalke in jih je mogoče odpraviti z uporabo spremenljivih črpalk. Pri visokih vrtljajih motorja imajo večjo vlogo tudi vztrajnostne sile, ki delujejo na batno skupino, in učinki kavitacije. To lahko povzroči težave z majhnim koncem vmesnika povezovalne palice/zapestja in ležajev. Na splošno so maziva z nižjo viskoznostjo manj nagnjena k kavitaciji.

Ker se hidrodinamični film zruši, ko med drgnjenimi površinami ni relativnega gibanja, se težave z obrabo, povezane z uvedbo maziv z nizko viskoznostjo, še poslabšajo zaradi tehnologije samodejnega zagona in zaustavitve [13,14]. Uporaba električnih oljnih črpalk in valjčnih ležajev za odmično gred in gred balanserja pomaga ublažiti težavo. Preizkušene so bile tudi ročične gredi, ki jih podpira valjčni ležaj, vendar se jim je zdelo nepraktično.

Formulacije maziv iz bloka motorja je mogoče natančno nastaviti za optimalno delovanje pod določenimi pogoji. Na primer, motorno olje je lahko zasnovano tako, da najbolje deluje pri visokih vrtljajih motorja in temperaturi, kot je to v primeru dirkalnih olj. Vendar pa dirkalno olje ne bi bila dobra izbira za cestne avtomobile v mestnem prometu s pogostim ustavljanjem in speljevanjem. Nasprotno, motorno olje lahko oblikujemo tako, da se najbolje obnese v mestnem prometu stop-and-go, potem pa morda ne bo zaslužil svojega "krofa", ki varčuje z viri.

Za razliko od dirkalnih olj so običajna maziva oblikovana tako, da uravnotežijo veliko število različnih lastnosti, neke vrste zavesten in neizogiben premik paradigme od »biti najboljši v nečem« k »biti dovolj dober v vsem. Ker se izkoristek goriva obravnava kot izjemno pomemben vidik zmogljivosti - pravzaprav to izrecno zahtevajo številne odobritve proizvajalcev originalne opreme - se bo prehod na nižje viskoznosti nadaljeval. Treba pa je priznati, da ekonomična poraba goriva za končnega potrošnika nima veliko ekonomskega smisla – govorimo o prihranku goriva približno 100 evrov v primerjavi s tveganjem 1000 evrov, če je olje pretanko in povzroča prekomerno obrabo motorja. Vendar pa koristi teh olj pripadajo proizvajalcem avtomobilov. Če lahko njihova vozila prihranijo 1-2% goriva z uporabo posebnega maziva za ekonomičnost porabe goriva, potem lahko proizvajalec originalne opreme drastično zmanjša znesek glob, ki jih bodo morda morali plačati.

Uporaba modifikatorjev trenja v mazivih iz bloka motorja

Povečane zahteve glede učinkovitosti maziv pojasnjujejo stalno povečevanje tržnega deleža sintetičnih maziv v zadnjih dveh desetletjih. Sintetična bazna olja imajo več prednosti: boljša konsistenca lastnosti, večja oksidacijska stabilnost, boljše lastnosti pretoka pri nizki temperaturi, nizka hlapnost itd., Glej sliko 7 V kombinaciji z ustreznimi dodatki se lahko sintetična bazna olja uporabljajo za proizvodnjo maziv z izjemnimi lastnostmi. Ena vrsta aditivov si zasluži posebno omembo kot motorna olja z ekonomičnostjo porabe goriva: modifikatorji trenja. Modifikatorji trenja so nepogrešljivo orodje za "pametno inženirstvo olja", glej sliko 3.

Slika 7 Migracija na varčevanje z gorivom popolnoma sintetičnega motornega olja

Modifikatorje trenja lahko v grobem razvrstimo v dve glavni kategoriji: (1) sistemi delcev (PTFE, grafit, grafen, MoS2, WS2, IF-WS2, nanoborova kislina, nanodelci bakra/bakrovega oleata itd.); (2) sistemi za oblikovanje adsorpcijske plasti, ki so lahko monomolekularni (glicerol monooleat, sorbitan monooleat, maščobni trigliceridi, estri hidroksikarboksilnih kislin, fosfatni estri, boratni estri, maščobne kisline, maščobni amidi, maščobni amini, žveplove maščobe itd.) in polimerni (metakrilati, poliestri, polietri, poliamidi, polimerizirana rastlinska olja itd.). Glavna prednost sistemov trdnih delcev je njihova relativno visoka kemijska stabilnost, njihova glavna pomanjkljivost pa je nagnjenost k ločevanju. Sistemi delcev ponavadi naredijo formulacijo maziva neprozorno po videzu, kar ni vedno sprejemljivo. Sistem za modifikacijo trenja trdnih delcev se uporablja npr. v paketu dodatkov motornega olja Lubrizol 21307. Sistemi za oblikovanje adsorpcijskih plasti so številni: na trgu je na stotine komercialnih izdelkov.

Glavna razlika med monomolekularnimi in polimernimi modifikatorji trenja je kompaktnost adsorbiranih plasti. Medtem ko monomolekularni OFM ponavadi proizvajajo gosto "krtačo" molekularne plasti, polimerni OFM proizvajajo "gel-podobne" adsorpcijske plasti. Te plasti povzročajo odboj med površinami - tako kot polimerni disperzijski sredstva - kar prispeva k tako imenovanemu učinku "superlubričnosti": nagnjeni so k premikanju Stribeckove krivulje v levo z razširitvijo območja mazanja s celotnim filmom proti višjim obremenitvam [2,16]. Vendar pa ni nujno, da zmanjšajo trenje v režimu mazanja s celotnim filmom.

Zdi se, da gosto zapakirane strukture, podobne krtačam, zagotavljajo najboljši učinek zmanjševanja trenja pri laboratorijskih preskusih ploščadi, kot so HFRR, pin-on-disk, Cameron-Plint, MTM itd. Po drugi strani pa so zaradi konkurenčne adsorpcije bolj nagnjeni k izpodrivanju drugih površinsko aktivnih vrst. Na primer, gliceril mono-oleat lahko učinkovito izpodrine molibdenov fosforotioat s površine. Iz istega razloga dodatki molibdena izgubijo učinkovitost, če se uporabljajo v kombinaciji z nekaterimi estrskimi baznimi olji.

Mešani sistemi lahko združujejo odvečnost z mejno mazivnostjo. Na primer, polimerizirano rastlinsko olje običajno vsebuje majhne količine maščobnih kislin in delnih glicerolnih estrov. Polimerne molekule zagotavljajo sterični odboj med drgnjenimi površinami, medtem ko maščobne kisline in delni glicerolni estri povečujejo mejno mazavost [17]. Številni komercialni sistemi OFM imajo enako lastnost (na primer Perfad 3000 iz Crode). To vrsto obnašanja je mogoče enostavno simulirati v laboratorijskih testih s kombiniranjem običajnih VI izboljševalcev, kot sta PIB ali polistiren, z glicerol monooleatom ali sorbitan mono-oleatom.

Površinski gel, ki tvori OFM, je manj verjetno, da bodo sodelovali pri konkurenčni adsorpciji, ker imajo manj "sidra" na enoto površine. To omogoča razvoj formulacij, ki združujejo ugodne lastnosti ekstremnega tlaka z učinkom "superlubričnosti"; glej na primer sliko 8 [18].

Podoben učinek odvečnosti lahko opazimo med hojo po spolzkih skalah morske obale. Sluz alg, ki raste na skalah, ohranja dovolj debelo plast vode, ki deluje kot mazivo med nogami in površino skale. Brez te sluzi moč vodnega filma ne bi zadostovala za podporo nog. Adsorpcijske plasti, ki jih tvorijo takšni površinsko-gelni dodatki za superlubričnost, so viskoelastični (ali psevdoplastični) in imajo ugoden tribološki učinek, saj zmanjšujejo trenje in obrabo, pa tudi s tem povezano odvajanje energije in vzbujanje hrupa. Prav tako pomagajo topiti delce, tako da delujejo kot polimerni disperganti. Silo spajanja med dvema površinama v prisotnosti takšnih aditivov lahko neposredno izmerimo z mikroskopijo atomske sile, slika 9 [13]

Slika 8 Sinergistični sistem modifikatorja trenja, ki vsebuje polimerni modifikator trenja in molijev aditiv [18]

Slika 9 Meritve AFM, ki kažejo odbojno silo zaradi površinske gelske plasti, ki jo tvori površinsko aktivni dodatek superlubričnosti blok-kopolimera [13]

V olju topni anorganski modifikatorji trenja, kot so molibdenov di(2-etilheksil) fosforoditioati, maščobni amidi molibdnih in volfrastičnih kislin, Antimon dialkil fosphorodithioate, boratni estri lahko delujejo na dva različna načina: Prvič, delujejo z adsorpcijo - in njihova afiniteta do kovinskih površin je običajno večja kot pri OFM. Drugič, lahko se tribomutirajo pod ekstremnim pritiskom in / ali strižnimi pogoji, pri čemer se trdne plasti maziva odlagajo na drgnjene površine v stiku. Tako se derivati molibdena pretvorijo v MoS2, volfram - v WS2, borat - v borovo kislino itd. S tem imajo anorganski modifikatorji trenja bistveno vlogo v procesu utekanja [19]. Ta lastnost služi tudi kot osnova za mehanokemično površinsko obdelavo [20] in ima za posledico manjše trenje in obrabo, glej sliko 10.

Slika 10 Vpliv ZDDP in anorganskih modifikatorjev trenja na trenje ventilov (po Ashworth et al. [21])

Vpliv motornega olja na trenje motorja za različne izvedbe motorjev

Kot je bilo že omenjeno v uvodu, prehod na mazivo z nižjo viskoznostjo pomaga zmanjšati trenje motorja. Najboljši način za ponazoritev tega je uporaba motornih nosilcev [4,13]. Sl. 11-13 prikazujejo podatke o tornem navoru za dva različna bencinska motorja. Za izdelavo ploščadi so bili uporabljeni rabljeni, a funkcionalni proizvodni motorji 2L i4. Ploščadi so delovale brez tlaka, z zunanjo brezimpulzno električno oljno črpalko za oskrbo z oljem. Za zmanjšanje hrupa podatkov je bilo uporabljeno tudi težko muharsko kolo. Glavna razlika med motorji je bila površina izvrtine valja: brušeno lito železo v primerjavi s toplotno razpršenim in vrsta ventilskega vlaka: mehansko vedro z neposrednim delovanjem (DAMB) v primerjavi s sledilcem valjčnih prstov (RFF).

Slika 11 prikazuje vpliv temperature olja na trenje motorja. Kot je bilo pričakovano, je nižja temperatura olja povezana z večjim trenjem. Za starejšo konstrukcijo motorja (motor A: Ford Duratec) z uporabo običajnih izvrtin cilindrov iz litega železa in ventila DAMB se rahlo poveča trenje na koncu nizkih vrtljajev: to je mogoče pripisati zrušitvi hidrodinamičnega filma maziva in prekomernemu trenju meje v ventilu in batni skupini. Za novejšo zasnovo motorja (motor B: Mercedes Benz M133) z vrtinami z razpršilno prevleko in ventilom RFF je torni navor skoraj linearno odvisen od števila vrtljajev motorja. To kaže, da nova zasnova omogoča učinkovito preprečevanje trenja meje.

Slika 12 prikazuje učinek stopnje viskoznosti olja pri delovni temperaturi 90 oC. Prehod iz starega razreda SAE 10W-40 na 0W-16 omogoča skoraj dvakratno zmanjšanje trenja motorja pri visokih vrtljajih. Vendar pa se učinek postopoma zmanjšuje, ko greste na nižje vrtljaje. Zanimivo je, da pri starejšem motorju olje z najnižjo viskoznostjo daje največje trenje na koncu nizkih vrtljajev. Še enkrat, to kaže, da je propad hidrodinamičnega mazivnega filma lahko resničen problem.

Nazadnje, slika 13 prikazuje, kako se trenje motorja odziva na uporabo modifikatorja trenja v formulaciji maziva. Vidimo lahko, da motor z ventilom DAMB in običajnimi vrtinami cilindrov iz litega železa pridobi več koristi od uporabe modifikatorjev trenja kot motor z ventilom RFF in toplotno razpršenimi izvrtinami. To kaže, da je uporaba modifikatorjev trenja smiselna le, če k skupni izgubi energije bistveno prispeva mejno trenje.

Slika 11 Vpliv temperature olja na trenje motorja: l.h.s. - Motor A, r.h.s. - Motor B.

Slika 12 Vpliv stopnje viskoznosti olja na trenje motorja pri 90 °C: l.h.s. - Motor A, r.h.s. - Motor B.

Slika 13 Učinek modifikatorja trenja molibdena na trenje motorja: l.h.s. - Motor A, r.h.s. - Motor B.

Pomembno je razumeti, da lahko različni modifikatorji trenja tekmujejo med seboj za prosta površinska območja, lahko pa tekmujejo tudi z drugim pomembnim razredom dodatkov, ki so vedno prisotni v formulacijah maziv v bloku motorja - detergenti [22]. Posledica tega je, da imata lahko dve različni oljni formulaciji s popolnoma enakimi viskozimetričnimi lastnostmi še vedno različno porabo goriva, čeprav razlike skoraj nikoli ne presegajo 1 odstotka.

Nekateri vpogledi v hibridne pogonske sklope

Hibridni pogonski sklopi prinašajo nove izzive za formulatorje olja: ker motor ICE med uporabo avtomobila ne deluje trajno, morda ne bo dosegel zmernega delovanja. To ustvarja pogoje za kondenzacijo vode na stenah močnostnega valja, čemur sledi kopičenje vode v bloku motorja. Ker so OFM površinsko aktivni, pomagajo topiti vodo in jo odgnati stran od bloka motorja. Elektronika za krmiljenje pogonskega sklopa mora v presledkih vklopiti ICE, da segreje olje in izhlapi odvečno vodo.

Drug pomemben vidik, zakaj so OFM tako pomembni za motorna olja za hibridne avtomobile, je dodaten prihranek goriva. Hibridi običajno uporabljajo maziva z nizko in ultranizko viskoznostjo: od 0W-20 (Volvo, Mercedes) do 0W-8 (Honda). Viskoznost olja ima prevladujoč učinek na ekonomičnost porabe goriva pri visoki omejitvi hitrosti in nizke obremenitve. Vendar je ta režim delovanja v resničnem življenju razmeroma nepomemben. Po drugi strani pa OFM pomagajo izboljšati ekonomičnost porabe goriva pri omejitvi nizke hitrosti in visoke obremenitve, ki je bližje sladki točki motorja in je s praktičnega vidika najbolj zanimiva. Poleg tega OFM pomagajo zmanjšati odvisnost od anorganskih modifikatorjev trenja, ki so lahko škodljivi za opremo za nadzor izpušnih plinov. Slika 14 prikazuje, da lahko organski modifikatorji trenja uspešno tekmujejo z MoDTC v smislu učinka zmanjševanja trenja.

Slika 14 MTM testni podatki, ki primerjajo dva komercialna organska modifikatorja trenja z MoDTC v baznem olju PAO. Uporabljeni so bili naslednji preskusni pogoji: SRR 50%, obremenitev 36N, temperatura 100oC.

Nenazadnje: polimerni OFM delujejo lepo v kombinaciji z oljno topnim polietrom (OSP) in estrskimi baznimi olji, ki se pogosto uporabljajo v mazivih z ultranizko viskoznostjo (razredi 0W-8 in 0W-12), medtem ko se dodatki molibdena v tem primeru izkažejo za manj učinkovite.

Na Japonskem se je prehod na olje SAE 0W-20 začel že okoli leta 1980, prvi SAE 0W-16 podoben izdelek (takrat ni bilo oznak J300 za razrede viskoznosti pod SAE 20) pa je bil uveden leta 2010. Danes Honda in Toyota aktivno promovirata tehnologijo SAE 0W-8, ki v povprečju prinaša 3-4% izboljšanje ekonomičnosti porabe goriva v primerjavi s SAE 0W-20. Razvit je bil nov preskus ekonomičnosti porabe goriva JASO, ki bo verjetno nadomestil obstoječe zaporedje VIF v prihodnji specifikaciji ILSAC GF-7. Razvoj novega standarda - znanega kot JASO M364:2019 - in specifikacije olja - JASO GLV-1 - je bil zaključen leta 2019 [23]. Za preizkus ekonomičnosti porabe goriva se lahko uporabi motor Toyota 2ZR-FXE 1.8L ali motorni motor Nissan MR20DD 2.0L. Predlagane omejitve porabe goriva za novo specifikacijo JASO GLV-1 znašajo >1,1 % (žganje) in >2,0 % (motorno) v primerjavi z referenčnim oljem SAE 0W-16. ILSAC GF-7 verjetno ne bo prišel pred letom 2025 - če bo sploh prišel, ob upoštevanju vseh ovir, zamud, previsokih stroškov in omejene uporabnosti kategorije ILSAC GF-6.

Zaključne opombe

Motorno olje je pomemben element pri razvoju pogonskih sklopov z nizkim trenjem. Prehod na motorno olje z nizko viskoznostjo je učinkovit način za zmanjšanje izgub trenja v motorjih z notranjim zgorevanjem. Vendar pa olje z nizko viskoznostjo ponavadi ogrozi zaščito pred obrabo, kar zahteva uporabo modifikatorjev trenja in dodatkov proti obrabi v formulacijah maziv v bloku motorja. Skupaj s širšo uporabo sintetičnih baznih olj se pričakuje, da bodo modifikatorji trenja v prihodnosti igrali vse pomembnejšo vlogo.

Navzkrižje interesov

Avtorji izjavljajo, da je bila raziskava izvedena brez komercialnih ali finančnih odnosov, ki bi jih lahko razumeli kot potencialno navzkrižje interesov.

Avtorski prispevki

Boris Zhmud stoji za splošno idejo članka in raziskovalnimi podatki. Arthur Coen in Karima Zitouni sta prispevala k poglavju o uporabi različnih razredov modifikatorjev trenja.

Acknowledgements

Robert Ian Taylor se zahvaljuje za navdihujočo razpravo in komentarje glede preskusov trenja motornih motorjev. Petru Klejwegtu se zahvaljujemo, da je delil svoje izkušnje z ekonomičnostjo porabe goriva z motornim oljem za težka tovorna vozila.

References

1.  K. Holmberg, P. Andersson, A. Erdemir. Svetovna poraba energije zaradi trenja v osebnih avtomobilih. Tribology International, 47 (2012) 221.
2. B. Zhmud, Razvoj energetsko učinkovitih maziv in premazov za avtomobilsko uporabo, Tribology and Lubrication Technology 67(9) (2011) 42.
3. B. Zhmud, Prizadevanje za boljšo ekonomičnost porabe goriva: Zmanjšanje trenja motorja pomaga maksimirati kilometre na galono, komponenta vozila 5 (2012) 18.
4. R.I. Taylor, N. Morgan, R. Mainwaring, T. Davenport, Koliko mešanega/mejnega trenja je v motorju - in kje je? Proc IMechE del J: J. Inženirska tribologija 234 (2020) 1563.
5. B. Zhmud, Tribologija motorjev: trnova pot iz laboratorija na polje, Lube 154 (2019) 20.
6. R.I. Taylor, R.C. Coy, Izboljšan izkoristek goriva z zasnovo maziva: Pregled, Proc. Inst. Mech. Eng. 214 (1999) 1.
7. B. Tatievski, B. Zhmud, "Motorna olja z ekonomičnostjo porabe goriva: Znanstvena utemeljitev in polemike", v Proc. 20. mednarodna tribologija kolokvija, Stuttgart, Nemčija, 12.-14. januar 2016.
8. D.E. Sander, H. Allmaier, C. Knauder, F. Strömstedt, Potenciali in tveganja zmanjšanja trenja s prihodnjimi motornimi olji z ultra nizko viskoznostjo. MTZ po vsem svetu 79 (2018) 21.
9. P. Kleijwegt, R. ter Rele, M. Sabater Ferret, R. van den Bulk, "Global heavy weight engine oil specifications and their impact on current and next generation lubricants" (Globalne specifikacije težkega motornega olja in njihov vpliv na maziva sedanje in naslednje generacije), kongres Beneluksa Smeermiddelana, Retie, Belgija, 26. sep 2019.
10. G. Lechner, A. Knafl, D. Assanis, S. Tseregounis, M. McMillan, S. Tung, P. Mulawa, E. Bardasz, S. Cowling, Učinki motornega olja na trenje in emisije lahkega motorja, 2,2-litrski dizelski motor z neposrednim vbrizgavanjem, 1. del – Rezultati preskusa motorja. SAE tehnični dokumenti 2002-01-2681.
11. S. Tung, M. McMillan, G. Hong, E. Bardasz, Učinki motornega olja na trenje in obrabo z uporabo 2,2-litrskih komponent dizelskega motorja z neposrednim vbrizgavanjem za testiranje na klopi, 2. del: Rezultati triboloških preskusov na preskusni napravi in analize površin. Tehnični dokumenti SAE 2004-01-2005.
12. B. Zhmud, E. Tomanik, "Optimizacija tribologije bata/vrtine: Vloga specifikacij površine, obročka in maziva." Tribologija mednarodnega kolokvija, Esslingen, Nemčija, 28. in 30. januar 2020.
13. B. Zhmud, B. Tatievski, "Priprava na ILSAC GF-6: Prednosti popolnoma sintetičnih motornih olj za povečanje ekonomičnosti porabe goriva." Svetovni tribološki kongres, Peking, Kitajska, september. 17-22, 2017.
14. B. Zhmud, "Trenutni napredek maziv v bloku motorja." Evropski vrh o baznem olju in mazivih, Rotterdam, Nizozemska, 20. in 21. novembra 2019.
15. H. Konice, dodatki za modifikacijo trenja, Trib. Lett. 60 (2015) 5.
16. B. Zhmud, M. Roegiers, Nova bazna olja predstavljajo izziv za topnost in mazljivost, Tribologija in tehnologija mazanja 65 (7) (2009) 34.
17. M. Roegiers, B. Zhmud, Tribološka zmogljivost ioniziranih rastlinskih olj kot mazivnih in maščobnih oljnih dodatkov v mazivih in gorivih, Lubrication Science 21 (2009) 169.
18. M.C. Southby, H. Gao, C. Chen, C.A. Chin, B.L. Parke, mazalna sestava, WO Patent 2015193395, 23. december 2015.
19. S. Li, R. Zhang, Y. Jin, Y. Wang, S. Tung, Tribokarbonizacija sintetičnega motornega olja v drsnem kontaktu mazanega batnega obroča/izvrtine valja ter njegova povezava s trenjem in obrabo. Časopis za sintetično mazanje 20 (2003) 203.
20. B. Zhmud, "Utekanje sestavnih delov motorja v proizvodnji z uporabo postopka Triboconditioning®", v M. Abdel Wahab (ur.): FFW 2018, LNME, str. 671–681, 2019.
21. S. Ashworth, K. Mistry, A. Morina, A. Neville, tribometer z enim odmikom za ocenjevanje triboloških parametrov in tribokemije sledilca vlaka ventilov, prevlečenega z DLC. Tribologija - materiali, površine in vmesniki, 6 (2012) 31.
22. S. Li, R. Zhang, Y. Jin, Y. Wang, S. Tung, Konkurenčne površinske interakcije kritičnih dodatkov z elementi batnega obroča / valja v pogojih mazanega vloma. Tribološke transakcije 46 (2003) 200.
23. S. Yoshida, K. Yamamori, S. Hirano, T. Sagawa, et al., Razvoj naslednje generacije specifikacije avtomobilskih bencinskih motornih olj z nizko viskoznostjo JASO GLV-1. SAE tehnični dokument 2020-01-1426