Kenőanyagok kémiája és technológiája

Átírás

1 Kenőanyagok kémiája és technológiája Nemesnyik Ákos Termékfejlesztés és Kenéstechnika vezető, ML-LUB Kft (a ML Csoport tagja) 1 1 Tartalom Kenőanyag történelem, kenéstechnikai alapok Kenőanyagok feladatai Kenőolajok felépítése bázisolajok adalékok Motorolaj minősítő rendszerek 2 2

2 Kenéstechnika és tribológia 3 3 Súrlódás 4 4

3 Súrlódás típusok 5 5 Kenésállapotok, súrlódás és kopás összefüggései 6 6

4 Viszkozitás - kenőolajok 7 7 Kenőolaj viszkozitási besorolások összehasonlítása 8 8

5 Kenőfilm típusok 9 9 Kenőolajok funkciói Súrlódás szabályozása Elválasztja az elmozduló felületeket Kopás védelem Csökkenti az abrazív kopást Rozsda, korrózió elleni védelem Megvédi a felületeket a korrozív anyagoktól Hőmérséklet szabályozása Felveszi és elvezeti a hőt Szennyeződések szabályozása Erőátvitel Elszállítja a részecskéket és egyéb szennyezőket a szűrőkhöz, szeparátorokhoz Hidraulikáknál továbbítja az erőt és mozgást 10 10

6 A motorolajok feladatai KLASSZIKUS FELADATK Kenés (egymáson elmozduló alkatrészek elválasztása) Terhelésfelvevő kenőfilm biztosítása Hűtés (égési, súrlódási hő) Tömítés (pl. hengerfal mentén) CSAK ADALÉKLÁSSAL TELJESÍTHETŐ FELADATK Motor belső részeinek tisztántartása Kopásvédelem Súrlódás csökkentése Korrózió elleni védelem Savas jellegű vegyületek semlegesítése Habzás megakadályozása Megfelelő olajélettartam biztosítása Egyéb: pl. hajtóműolaj szerep ellátása Tisztítás hűtés kenés funkciók a motorban Dugattyú lerakódás Vezérmű kopás Henger kopás xidáció Tisztítás Hűtés Kenés Iszap és korom kezelés 12 12

7 Kenésállapotok a motorban A négyütemű motor kenési rendszere 14 14

8 Motorolaj elvárások régen és most Mi van a flakonban? ~ 80% bázisolaj ásványi Gr. I. Gr. II. Gr. III szintetikus Gr. IV (PA) Gr. V (észter) ~ 20% adalék Viszkozitás módosító Folyáspont módosító Detergens Diszpergens Kopásgátló xidációgátló Súrlódás módosító Habzásgátló 16 16

9 Bázisolajok A kenőanyag teljesítménye nagyban függ a bázisolajok minőségétől és tulajdonságaitól Kőolaj finomítás vázlata 18 18

10 Szénhidrogén molekulák a kőolajban A kenőolaj szempontból legértékesebb bázisolaj komponensek 20 20

11 Bázisolaj előállítás módszerei API - ACEA bázisolaj kategóriák Kategória VI Kéntartalom Telített szénhidrogén Group-I > 0,03 % < 90 % Group-II < 0,03 % > 90 % Group-III > 120 < 0,03 % > 90 % Group-IV Poli-alfa-olefinek, PA Group-V Minden más Group I Group II Group III Group IV Group V Solvent Neutral (SN) olajok, konvencionális alapolajok. Aromás, kén és nitrogén heteroatomos szénhidrogéneket tartalmaz. Tipikus VI Enyhe HK olajok Nagyobb tisztaság, max. néhány % aromás, kéntartalom max 50 ppm. Tipikus V.I , Group II+ legfeljebb V.I HK olajok, hidroizomerizált olajok (VHVI, UHVI, XHVI) Nagyon nagy tisztaság, aromás tartalom tipikusan <1%, kéntartlom <10 ppm. V.I. >120. PA kémiai szintézissel előállított ppoli-alfa-olefin. Nagy tisztaságú és drága. Maradék telítetlenség miatt nem tökéletes, összevethető a Group III olajokkal. Minden más, főképpen észterolajok

12 Bázisolaj viszkozitási besorolás SN Solvent Neutral (SUS 40 C-on) BS Bright Stock (SUS 100 C-on) ldószeres kenőolaj finomítás technológiája (Group-I bázisolaj) 24 24

13 ldószeres paraffin mentesítés Group-II hidrokrakk bázisolaj előállítás, oldószeres paraffinmentesítéssel 26 26

14 Hidrokrakkolt és katalitikusan paraffinmentesített bázisolaj (Gr-III) GTL (Gas-to-Liquid) bázisolaj előállítása - Gr-III Shell, Katar 28 28

15 PA (poli-alfa-olefin) szintézis Gr-IV Bázisolaj kategóriák kémiai jellemzése Group-I Group-III 30 30

16 4-es viszkozitású bázisolajok összehasonlítása 100N Gr-I 100N Gr-I+ Gr-III PA Gr-IV Viszkozitás 100 C, mm 2 /s Viszkozitás 40 C, mm 2 /s Viszkozitás -40 C, mm 2 /s Solid Solid Solid 2460 Viszkozitás index Folyáspont, C CC lobbanáspont, C Párolgási veszteség, % (Noack, 250 C, 1 hr) Bázisolaj összehasonlítás Leírás A gyakorlatban Ásványi Gr-I Hagyományos kőolaj eredetű alapolaj Részszintetikus Ásványi és szintetikus olaj keveréke Szintetikus Gr-III Hidrokrakk alapolaj Full szintetikus PA-észter keberék Viszk. fokozat SAE besorolás szerint 15W-40 10W-40 5W-40, -30 0W-30 Viszkozitás index A bázisolaj viszkozitás hőmérséklet függését kifejező minőség indikátor alacsony magasabb magas magas Kéntartalom Bázisolaj minőség indikátor. magas alacsony mentes mentes xidációs stabilitás Magas hőmérsékletű viselkedés Alacsony hőmérsékletű viselkedés Alkalmazhatósági hőmérséklet intervallum Párolgási veszteség A bázisolaj öregedés állósága. (megfelelő adalékolás mellett) A bázisolaj extrém nehéz körülmények közötti teljesítőképessége A bázisolaj könnyű hidegindítás biztosító képessége. Változó körülmények közötti teljesítőképesség. A várható olajfogyasztásra utaló paraméter. jó jobb nagyon jó legjobb gyenge jó nagyon jó legjobb gyenge jó nagyon jó legjobb szűk szélesebb széles extrém széles magas jó nagyon jó legjobb Költség Jól ismert 1 1,2-1,3 1,

17 A kenőolaj minőséget befolyásoló bázisolaj tulajdonságok Hidegtulajdonságok Kopás Súrlódás csökkentés Vízelváló képesség Viszkozitás Felületi aktivitás Kémiai aktivitás Bázisolaj tulajdonságok xidációs stabilitás Korróziós tulajdonságok Savasodás, iszap képződés Habzási hajlam ldóképesség Illékonyság Adalék összeférhetőség Tömítőanyag összeférhetőség Lerakódás képződés Mi van a flakonban? ~ 80% bázisolaj ásványi Gr. I. Gr. II. Gr. III szintetikus Gr. IV (PA) Gr. V (észter) ~ 20% adalék Viszkozitás módosító Folyáspont módosító Detergens Diszpergens Kopásgátló xidációgátló Súrlódás módosító Habzásgátló 34 34

18 Kenőolaj adalékok Kenőolaj adalékok története 36 36

19 Kenőolaj adalékok csoportosítása és kiválasztási szempontok Mi a formula? A kenőanyag elállításhoz szükséges recept ami tartalmazza a komponenseket: Bázisolajok Teljesítmény adalékok Viszkozitás módosító Folyáspont módosító És a különböző specifikációkat Viszkozitás osztály Teljesítményszintek Jóváhagyások 38 38

20 Az adalékok funkciója Adalék Funkció A gyakorlatban Viszkozitás módosító Folyáspont módosító Detergens Diszpergens Kopásgátló xidációgátló Súrlódás módosító Habzásgátló A motorolaj viszkozitás-hőmérséklet függését csökkentő, viszkozitásindex növelő polimerek. A kenőolaj folyáspontját a paraffin kristályok összekapcsolódásának gátlásával csökkentő polimerek. A detergensek az égés során képződő savas komponensek semlegesítésével védik a különböző fém alkatrészeket. A diszpergensek a különböző olaj oldhatatlan részecskék kiülepedését gátló komponensek. A kopásgátlók a fémfelületeken egy védőréteget képeznek, melynek segítségével csökkentik azok kopását. Az antioxidánsok a bázisolajok oxidációjának gátlásával lassítják az olaj öregedését. A fémfelületek közötti súrlódást csökkentő komponensek. A magas detergens tartalom növeli a habzási hajlamot, ennek kordában tartása. Szilikon olaj. Könnyebb hideg indítás és erőteljesebb motor védelem magas hőmérsékleten. Alacsonyabb folyáspont, könnyebb hidegindítás. A savas komponensek által okozott kopás és korrózió megakadályozásnak köszönhetően megbízható működés Motor tisztaság és megbízható működés. Hosszú motor élettartam és megbízható működés. Hosszú olajcsere intervallum. A súrlódási veszteségek csökkentésének köszönhetően alacsonyabb üzemanyag fogyasztás Hosszú motor élettartam és megbízható működés a folytonos kenőfilm fenntartásának és a kavitációs korrózió gátlásának köszönhetően Polimer adalékok viszkozitás módosítók, folyáspont csökkentők Viscosity modifiers Polyisobutylene (PBU) Polymethacrylate (PMA) lefin Copolymer (CP) CP-g-PMA hybrid Maleic Anhydride-Styrene Ester (MSC) Styrene-diene 40 40

21 Viszkozitás módosító adalékok (VII) Viszkozitás index 42 42

22 Viszkozitás módosító polimerek nyírás hatása Folyáspont csökkentő adalékok 44 44

23 Bázisolaj folyáspontjának csökkentése Folyáspontcsökkentő adalékok Módosítja a kristályok morfológiáját (együtt kristályosodik a paraffinnal) Sztérikusan gátolja nagy, tűszerű, aggregálódó struktúrák kialakulását Segíti kis paraffinkristályok stabil diszperziójának képződését Motorolaj folyási tulajdonságai kis hőmérsékleten 46 46

24 Alapismeretek motorolajokról - viszkozitási osztályok A motorolajok SAE J 300 (2004) szabvány szerinti viszkozitás osztályozása Látszólagos Alacsony hőmérsékletű Kinematikai viszkozitás viszkozitás (CCS) (dinamikai) viszkozitás, cp max. cst,100 Con, mm²/s Szivattyúzhatósági határ (dinamikai) mpas, C-on mpas, C-on min. max. mpas, min. max. max. 0W , W , W ,1 - - SAE visz-kozitás osztály Viszkozitás (HTHSV) - magas hőmérséklet, nagy nyírási gradiens - mellett 150 C-on, /s, 15W , W , W , ,6 9,3 2, ,3 12,5 2, ,5 16,3 2,9 * ,5 16,6 3,7 ** ,3 21,9 3, ,9 26,1 3,7 * SAE 0W-40, 5W-40, 10W-40-es viszkozitási osztályú olajokra ** SAE 15W-40, 20W-40, 25W-40 és 40-es viszkozitási osztályú olajokra Jellemző viszkozitás fokozatok Személygépkocsi motorolajok üzemanyagtakarékos, szintetikus: 0W-30/40, 5W-30/40 részszintetikus: 10W-40 ásványolaj alapú: 15W-40 Haszonjármű motorolajok részszintetikus: 10W ásványolaj alapú: 15W-40 Motorolaj teljesítmény adalékcsomag összetétele 48 48

25 Detergens adalékok fő funkciók tisztítja a motor alkatrészeit savsemlegesítő (szuperbázikus detergensek) gátolja a rozsdásodást, oxidációt Szerves savak olajoldható fémsói szulfonátok fenátok szalicilátok Legfontosabbak a kalcium és magnézium sók Általában bázis felesleget tartalmaznak fém karbonát formájában szuperbázikus detergensek Semleges / enyhén bázikus és szuperbázikus detergensek A tisztítóképességet a szappan rész biztosítja A bázikus tartalékot a szuperbázikus rész biztosítja (általában CaC 3 )

26 Motorolaj detergensek és tulajdonságaik Detergensek felülettisztító hatása 52 52

27 Kipufogógáz emissziós határértékek teljesítéséhez alkalmazott technológiák SAPS SA szulfáthamu (fémes adalékok) P foszfor S kén DPF EGR SCR Detergens és diszpergens adalékok közti különbség Detergents Kis molekula tömeg (~ 400) Növelik a hamutartalmat (fémtartalmúak) Semlegesítik a savakat Gátolják a lerakódás képződést nagy hőmérsékleten Dispersants Nagyobb molekula tömeg (~ 1000/2000) Hamumentes Gátolják a lerakódást kis hőmérsékleten 54 54

28 Diszpergens adalékok lebegésben tartják a szennyezőket Generalised dispersant Fenntartja a tisztaságot a lerakódás prekurzorok oldatban tartásával A koromszemcsék módosításával csökkenti a korom képződés által okozott viszkozitás emelkedést Termikusan stabilak, nem járulhatnak hozzá lerakódás kialakulásához lajoldható rész általában poliizobutilén (PIB) Poláros zárócsoport poliamin poliol Átkötés borostyánkősav anhidrid fenol 56 56

29 Szukcinimid diszpergens adalékok előállítása, szerkezete PIB N NH NH NH NH 2 PIB N NH NH NH N PIB Szerkezetfüggő tulajdonságok Diszpergens hatás Koromkezelő képesség Bázikusság Tömítőanyag összeférhetőség Pl. amin-pibsa arány amin típus PIB lánchossz PIB PIB PIB N PIB N N N N NH PIB N N N PIB N N N N N PIB N PIB PIB PIB Kenésállapotok, súrlódás és kopás összefüggései 58 58

30 Súrlódás módosító, kopásgátló adalékok Kémiai és szilárd kenőanyag film képzés Kopás- és berágódás védelem egyes kenésállapotoknál Straight Mineral il Friction Modifier (FM) iliness Additive Antiwear Agent Mild EP Agent (antiweld) Seizure Strong EP Agent (antiweld) Friction R R R C C C C Hydrodynamic Region Mixed (EHD) Region Boundary Region Load R : The point at which the load carrying film forming action of the additive starts C : The point at which the film forming reaction and load carrying effect ceases 60 60

31 Súrlódásmódodsító (FM) adalékok HC Stearic Acid HC leic Acid P H Dialkyl hydrogen phosphite Motion Motion Polar Bonding to metal surface Kopásgátló (AW) adalékok Cink ditiofoszfátok az egyik legjobb és legolcsóbb kopásgátló adalék a leggyakrabban használt kopásgátló ZDDP oxidáció és korróziógátló hatással is rendelkezik hatékony már enyhe körülmények mellett is (hidrodinamikai / vegyes állapot) kezdetben fizikai adszorpcióval kötődik a fém felülethez, majd termokémiai reakció során foszforkén tartalmú réteg keletkezik a felületen A kialakult film csökkenti a súrlódást, megakadályozza a hegedést (adhéziós kopást). Nagyon magas hőmérsékleten ill. terhelésnél viszont nem hatásos

32 Nagy nyomásálló (Extreme Pressure, EP) adalékok Description Are generally Sulphur containing chemicals (also P, Cl and B types) hydrophobic chain length is smaller than for FM s and AW s, giving them greater surface activity EP s perform only under severe boundary conditions (high load / low speeds / high temps) They chemically react at the metal surface, and require high temps (>200 C) to be activated They breakdown to release Sulphur at the surface, producing an FeS surface layer which will undergo sacrificial shear. Sulphur penetrates the metal surface to produce a new surface chemically (as opposed to ZDP s which coat the surfaces) Benefit from synergism with AW additives (especially ZDP s) Results in a Controlled Wear process by flattening asperities Nagy nyomásálló (EP) adalékok hatásmechanizmusa 64 64

33 Szilárd kenőanyag adalékok Mi történik a kenőolaj oxidációja során? 66 66

34 Hosszú csereperiódusú olajok 140 Passanger cars Commercial vehicles il drain interval, thousand km xidációgátló adalék típusok Beavatkozási pontok RH + 2 RH R H hydroperoxide decomposers radical scavengers R R + H R RH radical 2 scavengers R H / H

35 Korróziós inhibitorok Adalékok versengése a fémfelületért és egymással 70 70

36 Miből áll egy motorolaj adalékcsomag? Adalékolási szintek Teljesítményszint Bevezetés éve Adalék, % API CB API CC(/SC-SF) ,8 API CD ,5 ACEA E ,5-9 ACEA E ACEA E ACEA E ACEA E4/E7, MB ACEA E4/E6 low SAPS 2004 >

37 Kenőolaj gyártás folyamata Mi az a specifikáció? A specifikáció a szükséges műszaki követelményeket tartalmazza fizikai és kémiai vizsgálatok motorfékpadi mérések specifikáció kiállítók Iparági szervezetek: ACEA, API, JAS Gépgyártók: VW, BMW, Scania, stb. Kormányzati szervek: EU, hadsereg Sok specifikáció létezik, de kicsi köztük a különbség A specifikációk kategorizálása Felhasználás szerint Benzin- vagy dízelüzemű motorok Személy- vagy haszongépjárművek Piac szerint szerviz feltöltés (aftermarket) gyári feltöltés (first fill) Alkalmazási feltételek Normál vagy erős igénybevétel Normál (10k - 15k km) vagy növelt (30k 50k km) csereciklus Üzemanyag takarékos motor Egyéb előírások (ACEA, API, JAS) 74 74

38 Motorfékpadi vizsgálatok értékelési szempontok Motorfékpad példa: MB M 602A Paraméter Dugattyú tisztaság >20.0 >22.0 >24.0 >26.0 Furat tükrösödés <7.0 <6.0 <4.5 <3.0 Henger kopás <20.0 <18.0 <15.0 <15.0 Bütyök kopás <50.0 <50.0 <45.0 <45.0 lajfogyasztás <10.0 <10.0 <10.0 <10.0 Viszkozitás emelkedés 90% 80% 70% 60% Motoriszap >8.8 >8.9 >8.9 >

39 Motorolajok teljesítmény osztályozása ACEA A sorozat A1 A3 B sorozat B1 B4 C sorozat C1 C4 E sorozat E1 E9 API S sorozat SA SN C sorozat CA CJ-4 Gépgyártói előírások - EM ACEA A, B és C sorozatok fejlődése A szervizfeltöltésű olajok minimum követelményeit definiálja A gépgyártók mintegy alapként használják őket 78 78

40 ACEA személyautó motorolaj teljesítmény összehasonlítás A1/B1 A3/B3 A3/B4 A5/B5 C1 C2 C3 C4 Üzemanyag takarékosság Katalizátor kompatibilitás lajfogyasztás Kopásvédelem DI dízelmotor kompatibilitás Viszkozitás stabilitás Magas hőmérsékletű motorvédelem ACEA C specifikációk személygépkocsik és kishaszonjárművek Specification ACEA C1 ACEA C2 ACEA C3 ACEA C4 Sulfated Ash Phosphorous Sulphur HTHS Fuel efficiency

41 ACEA és kapcsolódó EM specifikációk - személygépkocsik és kishaszonjárművek STANDARD SAPS LW SAPS Isuzu PC Renault RN0700 RN0710 Toyota Serv Fill support Mitsubishi VW / Honda Serv. Fill support VW / / VW / MB MB Renault RN0700 Subaru Serv. Fill support MB MB MB pel (GM) pel (GM) Mazda Serv. Fill Nissan Serv. Fill pel (GM) GM-LL-B-025 GM-LL-A-025 Low SAPS Draft (TDI limit = B4) Ford WSS-M2C 913-B Porsche approved BMW Longlife 01 BMW Longlife 01FE Ford WSS-M2C 934-A PSA internal BMW Longlife 04 Renault LLR / RN 0720 TDI > RL A1/B1 A3/B3 A3/B4 A5/B5 C1 C2 C3 C4 Standard Quality & Fuel Economy Higher Quality or "Longer" Drain Highest Quality (DI Diesel) or "Long" Drain Highest Quality & Fuel Economy Low SAPS & Fuel Economy Mid SAPS & Fuel Economy Mid SAPS Low SAPS Fullfills A3/B3 Fullfills A1/B1 Fullfills A5/B5 Fullfills A5/B5 Fullfills A3/B4 with more severe limit on M 602 wear & TDI Noack 11% TBN >6 M111 RL140 +4σ ACEA haszonjárművek Sulfated Ash, mass% Phosphorus, mass% Sulfur, mass% Low 0,5 0,05 0,2 Mid 0,8 0,08 0,2 Normal 82 1,2 >0.1 0,5 82

42 Haszonjárművek Euro VI, 2013 kizárólag low SAPS Széndioxid kibocsátás csökkentés - személyautók Fining system for C 2 emission to be introduced in 2012 Driver for use of fuel saving lubricants Increase bio-fuel content in fuels to 10% (gasoline), 7% (diesel) Low HTHS oils Friction modified oils 84 84

43 Energia veszteségek a motorban Üzemállapottól függően 10-16% súrlódási veszteség keletkezik a járműben 2-5% reálisan megtakarítható a kenőolaj súrlódás csökkentésével Üzemanyag takarékosság - HTHS viszkozitás, motorolaj stabilitás 86 86

44 Biofuel compatibility Diesel fuel field problems with B5 engine oil viscosity decrease due to fuel dilution engine cleanliness and oxidaton stability compromised B7 now allowed EMs concerned about further increasing bio component ratio in Diesel fuel Example Mercedes-Benz RACE 2010 More efficient used oil diagnostics measuring biodiesel content 87 87