Kenőanyagok kémiája és technológiája Nemesnyik Ákos Kenőanyag Termékfejlesztés és Alkalmazástechnika Kp. MOL-LUB Kft (a MOL Csoport tagja) Tartalom Kenés és tribológiaialapok, kenőanyag történelem Kenőanyagok feladatai Kenőolajok felépítése bázisolajok adalékok Motorolaj minősítő rendszerek Motorolaj fejlesztési trendek 2
Súrlódás az életünk része µ 0,9 µ 0,6 µ 0,3 Presenting to [name] 3 3 Gép élettartam veszteség 70% felületi károsodás miatt korrózió 15% KOPÁS 55% gépek súrlódásának, kopásának csökkentése a feladatunk 0,01 4
Anyagok felületi érintkezése Szilárd testek Egymáson elmozdulnak Erővel egymásnak nyomjuk F s [N] F n [N] v [m/s] Érintkezés Valós érintkezési felület Alakváltozás reverzibilis vagy irreverzibilis változás Súrlódás - hőfejlődés Leszakadó csúcs anyag veszteség, kopás 5 5 Kenés Az emberi hajszál átmérőjének 1/20-a A súrlódás csökkentésének tudománya Egy felület egy másik felületen történő elmozdulását egy köztes anyag kenőanyag - alkalmazásával segítjük elő 6 6
Amivel elválasztjuk: Kenőanyag Az egymással kölcsönhatásban levő, egymáshoz képest elmozduló gépelemek határfelületei között alkalmazott anyag, mely szabályozza (rendszerint csökkenti) a súrlódást és a kopást Speciálisan és célirányosan előállított ipari termékek, lehetnek gáz, cseppfolyós, plasztikus (konzisztens) és szilárd állapotúak a folyékony gépalkatrész 7 7 A kenéstechnika története Kenő specialista Egyiptomban 8
Rendszer szemlélet LEONARDO DA VINCI F s F n 9 9 Súrlódási törvény CHARLES AUGUSTIN COULOMB F s =µ*f n +b Súrlódási erő Felületre merőleges erő Súrlódási tényező A mozgás vagy a megkísérelt mozgás iránya A súrlódási tényező a felületek anyagának és morfológiájának (felületi érdességének, az érdesség irányultságának, stb.) függvénye A súrlódási erő létrejöttének két oka van: A felületi érdesség csúcsok deformálása (erősen érdes felületek) Az érintkezési pontokban kialakuló adhéziós erők (kis érdesség) 10
Kenőfilm kialakulása OSBORNE REYNOLDS Súrlódás energia disszipációs folyamat hőfejlődés Hordképes kenőfilm kenéselmélet alapjai Kenőolaj áramlási jellemzői, folyadékkenés 11 11 A tribológia születése Jost report 1966 A súrlódás, kopás és korrózió évente 515 mgbp összegbe kerül az Egyesült Királyságnak a GDP 1,5 %-a A kormány tribológiai központokat létesített A tribológia önálló tudományággá vált 1966 2016 12
A tribológia fogalma A tribológia a kölcsönhatásban lévő és egymáshoz viszonyítva elmozdulást végző felületekkel kapcsolatos tudományág és technológia, beleértve a - súrlódást, - kenést - kopást és - eróziót. 13 Súrlódás típusok Csúszó Gördülő Folyadék Határ Vegyes 14
A növekvő fordulatszámú siklócsapágy kenésállapotai Nyugalmi állapot, szilárdtest érintkezés Kis fordulatszám, határ- vagy vegyes kenés állapot Nagy fordulatszám, hidrodinamikai kenésállapot A kenőfilm kialakulásának előnye A szilárd test súrlódást folyadéksúrlódás váltja fel A súrlódási energiaveszteség lecsökken VISZKOZITÁS SEBESSÉG RÉSMÉRET 15 Szilárd testek súrlódása A szilárd testek felületei között jelentkező súrlódás szinte mindig kopáshoz vezet. A kopás megelőzésének legeredményesebb módja a szilárd felületek érintkezésének megakadályozása. A valóságos gépek túl bonyolultak ahhoz, hogy a kopást teljesen kiküszöböljük. 16
Kopás Kopás: az a harmadik test áramlás, amely végleg elveszett az érintkezés szempontjából 17 Határkenés Vegyes kenés Folyadék kenés Kenésállapotok, súrlódás és kopás összefüggései SÚRLÓDÁSI TÉNYEZŐ EP/AW Nincs adalék KENŐFILM VASTAGSÁG Nincs kenőfilm KOPÁS EP/AW Nincs adalék Viszkózus és határ-kenőfilm elválasztás Viszkózus elválasztás TERHELÉS 18
Kenésállapotok a motorban 19 Viszkozitás A kenőolaj legfontosabb tulajdonsága A szilárd testek súrlódását folyadéksúrlódás váltja fel. A folyadék belső súrlódásának nagysága (dinamikai viszkozitás) 20
Tartalom Kenőanyag történelem, kenés és tribológiai alapok Kenőanyagok feladatai Kenőolajok felépítése bázisolajok adalékok Motorolaj minősítő rendszerek Motorolaj fejlesztési trendek 21 Kenőanyagok alapfunkciói Súrlódás szabályozása Elválasztja az elmozduló felületeket Kopás védelem Csökkenti a kopást Rozsda, korrózió elleni védelem Megvédi a felületeket a korrozív anyagoktól Hőmérséklet szabályozása Felveszi és elvezeti a hőt Szennyeződések szabályozása Elszállítja a részecskéket és egyéb szennyezőket a szűrőkhöz, szeparátorokhoz 22
Belsőégésű motor kenése Szelepszárak Szelepfészkek Fő- és vezérműtengely Dugattyú/henger Csapágyak Turbó / láncok fogaskerekek Apró furatokon (tengelyek) 1-2 mm átmérő Érzékeny a reológiára, szennyezőkre Fúvókákon (dugattyú) Pár tized mm átmérő Fokozottan érzékeny Lecsorgással Olajszivattyú felnyomja, lecsorog, közben ken 23 Hogyan valósul meg a kenés? 24
Tartalom Kenőanyag történelem, kenés és tribológiai alapok Kenőanyagok feladatai Kenőolajok felépítése bázisolajok adalékok Motorolaj minősítő rendszerek Motorolaj fejlesztési trendek 25 Visszatekintés Minden egy hajszálon múlik Illetve annak 1/20 án! Feladat: Olyan kenőanyagokat formulázni, melyek csökkentik a súrlódást, minimalizálják a kopást és meghosszabbítják a berendezés élettartamát 26
A kenőolajokkal szembeni két kulcs elvárás Viszkozitási fokozat Teljesítményszint - Megfelelő folyási tulajdonságok - Hidegben - Melegben - Oxidáció, termikus stabilitás - Kopásvédelem - Tisztántartó képesség (detergens) - Szennyezés kezelő képesség (diszpergens) 27 - Nyírással szembeni ellenálló képesség - Habzásgátlás - Korrózió elleni védelem - Öko megfelelőség 27 Az elvárásokat meghatározó szervezetek American Petroleum Institute OEM (Original Equipment Manufacturer) - Gépgyártók GM, BMW, Mercedes, VW, PSA, Fiat etc. 28 28
Hol találhatók a flakonon? SAE 5W-30 viszkozitás 29 Mercedes Benz előírások (kivonat) 30
Mi a kenőanyag formula? Komponensek (receptúra) a kenőolaj keveréshez - bázisolajok - teljesítmény adalékok - reológiai adalékok Viszkozitás, Reológiai tulajdonságok Teljesítményszint, specifikációk, gépgyártói jóváhagyások 31 Határkenés Vegyes kenés Folyadék kenés Motorolaj formulázás SÚRLÓDÁSI TÉNYEZŐ EP/AW Nincs adalék FELÜLET VÉDELEM NÖVEKVŐ NYOMÁS ELLENI VÉDELEM A kenőolaj fizikai tulajdonságai kritikusak Adalékok a viszkozitás megtartására EP Felületaktivált EP Kopásgátló Kenőfilm szilárdság növelő Súrlódás módosító FOLYADÉK VÉDELEM Nagyobb terhelés, kisebb viszkozitás miatt a felületek erősebben érintkeznek Ha nincs folyadék film, az adalékok nyújtanak védelmet Öregedésgátló Szennyeződés kezelő Viszkozitás megtartó 32
Mi van a flakonban? ~ 80% bázisolaj ásványi Gr. I. Gr. II. Gr. III szintetikus Gr. IV (PAO) Gr. V (észter) ~ 20% adalék Viszkozitás módosító Folyáspont módosító Detergens Diszpergens Kopásgátló Oxidációgátló Súrlódás módosító Habzásgátló 33 Bázisolajok A kenőanyag teljesítménye nagyban függ a bázisolajok minőségétől és tulajdonságaitól 34
Szénhidrogén molekulák a kőolajban 35 A kenőolaj szempontból legértékesebb bázisolaj komponensek 36
Bázisolajok kategorizálása fajták szerint Csoport Kéntartalom, tömeg % API bázisolaj kategóriák Telített szénhidrogének, tömeg % Viszkozitás Index Group I > 0,03 és/vagy < 90 80-119 Group II < 0,03 és > 90 80-119 Group III < 0,03 és > 90 > 120 Group IV Group V Poli-alfa-olefinek (PAO) Egyéb szintetikus bázisolajok Group I Group III / IV 37 Bázisolajok kategorizálása fajták szerint Group I Group II Group III Group IV Group V MOL SN Ásványi Paramo Hidrogénezett ásványi Hidrokrakk PAO Priolube Észter, PAG Nycobase Ásványi Szintetikus Group I Solvent Neutral (SN) olajok, konvencionális alapolajok. Aromás, kén és nitrogén heteroatomos szénhidrogéneket tartalmaz. Tipikus VI 95-100. Group II Enyhe HK olajok Nagyobb tisztaság, max. néhány % aromás, kéntartalom max 50 ppm. Tipikus V.I. 95-105, Group II+ legfeljebb V.I. 119. Group III HK olajok, hidroizomerizált olajok (VHVI, UHVI, XHVI) Nagyon nagy tisztaság, aromás tartalom tipikusan <1%, kéntartlom <10 ppm. V.I. >120. Group IV Group V PAO kémiai szintézissel előállított ppoli-alfa-olefin. Nagy tisztaságú és drága. Maradék telítetlenség miatt nem tökéletes, összevethető a Group III olajokkal. Minden más, főképpen észterolajok. 38
Bázisolaj előállítás módszerei 39 Oldószeres kenőolaj finomítás technológiája (Group-I bázisolaj) SN Solvent Neutral 70 700 (SUS 40 C-on) BS Bright Stock 135 225 (SUS 100 C-on) 40
Group-II hidrokrakk bázisolaj előállítás, oldószeres paraffinmentesítéssel 41 Hidrokrakkolt és katalitikusan paraffinmentesített bázisolaj (Gr-III) 42
Kenőanyag alapolaj gyártás variációi 43 PAO (poli-alfa-olefin) szintézis Gr-IV 44
Bázisolaj kategóriák kémiai jellemzése Group-I GC eloszlás Group-III 45 Bázisolajok teljesítmény növekedése Group II Group I Group III Group IV Group V Hidegfolyási tulajdonságok Oxidációs stabilitás Illékonyság 46
Tartalom Kenőanyag történelem, kenés és tribológiai alapok Kenőanyagok feladatai Kenőolajok felépítése bázisolajok adalékok Motorolaj minősítő rendszerek Motorolaj fejlesztési trendek 47 Mi van a flakonban? ~ 80% bázisolaj ásványi Gr. I. Gr. II. Gr. III szintetikus Gr. IV (PAO) Gr. V (észter) ~ 20% adalék Viszkozitás módosító Folyáspont módosító Detergens Diszpergens Kopásgátló Oxidációgátló Súrlódás módosító Habzásgátló 48
Az adalékok szerepe Felületek fizikai elválasztása, súrlódás és kontaktus csökkentése ALAPOLAJ Az emberi hajszál átmérőjének 1/20 -a Meglévő bázisolaj tulajdonságok javítása öregedésállóság, korrózióvédelem, víztől való elválás stb. Kedvezőtlen bázisolaj tulajdonságok elnyomása magas folyáspont Bázisolajok felruházása új tulajdonságokkal detergens hatás, nagy nyomásálló adalékok, tapadásjavítók 49 Viszkozitás hőmérséklet függése ISO VG 32 hidraulika olaj optimális működési területe és alkalmazási hőmérséklet határértékei VISZKOZITÁS mm 2 /s 1000 40 32 20 10 VI 200 VI 100 OPTIMÁLIS ALSÓ LIMIT FELSŐ LIMIT -40-27 -13 33 35 51 56 74 86 HŐMÉRSÉKLET, C Nagyobb viszkozitási index (kisebb viszkozitás változás a hőmérséklettel) szélesebb hőmérséklet tartományú üzemelést tesz lehetővé 50
Motorolajok viszkozitási osztályai Viszkozitási osztályok (SAE J 300) CCS max. cp MRV max. cp Kinematikai viszkozitás, 100 C min. cst Kinematikai viszkozitás, 100 C max. cst HTHSV, 150 C min. cp Pl. SAE 5W-30 Hidegindíthatóság -30 C Szivattyúzhatóság -35 C Viszkozitás 100 C-on 9,3-12,5 cst 51 Felhasználási példák Viszkózus - tömít Alacsony viszk. Melegben is vastag film Hidegben kiváló 20W-50 Hidegben dermed Alacsony teljesítmény 5W-30 Kis ellenállás Magas teljesítmény Régi, kopott gépek olaja, melyek inkább nyáron üzemelnek és fogyasztják az olajat Korszerű motorok olaja, ahol fontos az emisszió alacsonyan tartása, és magas a teljesítmény 52
Viszkozitás módosító adalékok (VII) VII adalékkal sűrített motorolaj Viszkozitás Tiszta alapolaj Hőmérséklet Legfőbb kémiai típusok: Etilén-propilén kopolimerek Sztirol-butadién kopolimerek Poliizoprének Polimetakrilátok 53 Folyáspont Folyáspontcsökkentő adalékok Módosítja a kristályok morfológiáját (együtt kristályosodik a paraffinnal) Sztérikusan gátolja nagy, tűszerű, aggregálódó struktúrák kialakulását Segíti kis paraffinkristályok stabil diszperziójának képződését Presenting to [name] 54 54
Folyáspont csökkentő adalékok 55 Motorolaj teljesítmény adalékcsomag összetétele 56
Detergens adalékok fő funkciók tisztítja a motor alkatrészeit savsemlegesítő (szuperbázikus detergensek) gátolja a rozsdásodást, oxidációt Szerves savak olajoldható fémsói (Ca, Mg) szulfonátok fenátok szalicilátok Általában bázis felesleget tartalmaznak fém karbonát formájában szuperbázikus detergensek I. A tisztítóképességet a szappan rész biztosítja II. A bázikus tartalékot a szuperbázikus rész biztosítja 57 Detergensek felülettisztító hatása DPF és korlátai SAPS SA szulfáthamu (fémes adalékok) P foszfor S kén 58
Diszpergens adalékok lebegésben tartják a szennyezőket Szerepük a szennyeződések diszpergálása, kiválásának megakadályozása 59 Detergens és diszpergens adalékok közti különbség I. Detergents I. Kis molekula tömeg (~ 400) II. Növelik a hamutartalmat (fémtartalmúak) III. Semlegesítik a savakat IV. Gátolják a lerakódás képződést nagy hőmérsékleten II. Dispersants I. Nagyobb molekula tömeg (~ 1000/2000) II. Hamumentes III. Gátolják a lerakódást kis hőmérsékleten 60
Határkenés Vegyes kenés Folyadék kenés Kopásvédelem SÚRLÓDÁSI TÉNYEZŐ EP/AW Nincs adalék FELÜLET VÉDELEM NYOMÁSI ELLENÁLLÁS A kenőolaj fizikai tulajdonságai kritikusak Adalékok a viszkozitás megtartására EP Felületaktivált EP Kopásgátló Film erősítő Súrlódás módosító FOLYADÉK VÉDELEM Nagyobb terhelés, kisebb viszkozitás miatt a felületek erősebben érintkeznek Ha nincs folyadék film, az adalékok nyújtanak védelmet Öregedésgátló Szennyeződés kezelő Viszkozitás fenntartó 61 Súrlódásmódosító (FM) adalékok HOOC Stearic Acid HOOC Oleic Acid Motion O O P H O Dialkyl hydrogen phosphite Motion Polar Bonding to metal surface 62
Kopásgátló (AW) adalékok Cink ditiofoszfátok a leggyakrabban használt kopásgátló oxidáció és korróziógátló hatással is rendelkezik hatékony már enyhe körülmények mellett is kezdetben fizikai adszorpcióval kötődik a fém felülethez, majd termokémiai reakció során foszfor-kén tartalmú réteg keletkezik a felületen A kialakult film csökkenti a súrlódást, megakadályozza a hegedést (adhéziós kopást). Nagyon magas hőmérsékleten ill. terhelésnél viszont nem hatásos. 63 Nagy nyomásálló (Extreme Pressure, EP) adalékok Általában kén, ritkábban P, Cl, B tartalmú vegyületek rövidebb szénlánc, nagyobb felületi aktivitás csak nagy határfelületi terhelésnél aktiválódnak a fém felületen reagálnak, csak 200 C felett Kén kibocsátók, FeS felületi réteget hoznak létre, amely lenyíródik A kén behatol a fémfelületbe és új kémiai réteget képez Szinergikus a kopásgátló adalékokkal 64
Kopás- és berágódás védelem egyes kenésállapotoknál Straight Mineral Oil Friction Modifier (FM) Oiliness Additive Antiwear Agent Mild EP Agent (antiweld) Seizure Strong EP Agent (antiweld) Friction R R R C C Hydrodynamic Region Mixed (EHD) Region Boundary Region C C Load R : A pont ahol a teherviselő film képzés elindul az adalékkal C : A pont ahol a teherviselő film megszűnik 65 Oxidációgátló adalékok Beavatkozási pontok RH + O 2 RH RO O H hydroperoxide decomposers radical scavengers RO O O 2 radical scavengers R RO + O H RH R O H / H 2O Savak Iszap Lakk 66
Korróziós inhibitorok 67 MOL motorolaj technológiák Normál körülmények Folyadék film Szigorú körülmények Molekuláris védőfilm Dual Film technology Triple Antioxidant Protection technology 68
Az adalékok funkciója Adalék Funkció A gyakorlatban Viszkozitás módosító Folyáspont módosító Detergens Diszpergens Kopásgátló Oxidációgátló 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. 69 Miből áll egy motorolaj adalékcsomag? 70
Adalékok versengése a fémfelületért és egymással 71 Adalékolási szintek Teljesítményszint Bevezetés éve Adalék, % API CB 1948 2 API CC(/SC-SF) 1960 3-3,8 API CD 1955 4,5 ACEA E2 1996 7,5-9 ACEA E3 1996 10-12 ACEA E5 1999 12-15 ACEA E7 2004 14-16 ACEA E4/E7, MB 228.5 2004 19-20 ACEA E4/E6 low SAPS 2004 >20 72
Kenőolaj gyártás folyamata 73 Tartalom Kenőanyag történelem, kenés és tribológiai alapok Kenőanyagok feladatai Kenőolajok felépítése bázisolajok adalékok Motorolaj minősítő rendszerek Motorolaj fejlesztési trendek 74
Mi a kenőanyag formula? Komponensek (receptúra) a kenőolaj keveréshez - bázisolajok - teljesítmény adalékok - reológiai adalékok Viszkozitás, Reológiai tulajdonságok Teljesítményszint, specifikációk, gépgyártói jóváhagyások 75 Motorolajok teljesítmény osztályozása ACEA A sorozat A1 A5 B sorozat B1 B5 C sorozat C1 C4 E sorozat E1 E9 Aktuális A3 B4 C1 C45 E7, E9, E4, E6 API S sorozat SA SN C sorozat CA CK-4 SJ SN CG-4 CK-4 Gépgyártói előírások - OEM 76
Motorolajok vizsgálati lépcsői Vizsgálat Pontosság Időigény Költség Gyakorlati áttétel Laboratórium Kitűnő Órák Olcsó Másodlagos Géplaboratórium Jó Napok Közepes Laza Motorfékpad Megfelelő Hetek Drága Szoros Országúti teszt Gyenge Hónapok - évek Nagyon drága Maga a valóság 77 Motorfékpadi vizsgálatok értékelési szempontok 78
Tartalom Kenőanyag történelem, kenés és tribológiai alapok Kenőanyagok feladatai Kenőolajok felépítése bázisolajok adalékok Motorolaj minősítő rendszerek Motorolaj fejlesztési trendek 79 Technológiai mozgatórugók Károsanyag kibocsátás csökkentése égéstechnológia turbo, EGR, szenzoros szabályozás stb. kipufogógáz utánkezelő rendszerek motortechnológia alternatív üzemanyagok motorolaj formula kémiai összetevők Üzemanyag takarékosság = CO 2 kibocsátás csökkentés motortechnológia tömegcsökkentés, alkatrész bevonatok motorolaj formula súrlódás, viszkozitás Tartósság, megbízhatóság nehéz körülmények közt motortechnológia tartósabb alkatrészek motorolaj formula stabilitás Presenting to [name] 80 80
Kipufogógáz utánkezelő rendszerek SAPS korlát Behatárolják a motorolaj adaléktechnológia kereteit low SAPS motorolajok Presenting to [name] 81 81 EU CO 2 szabályozás Példa BMW 2008 szinten: átlagflotta kibocsátás 154 g/km költség 2012: +24 g/km 2280 / autó, 1,97 Md költség 2020: +59 g/km 5605 / autó, 4,85 Md Motorolajban rejlő lehetőségek direkt hozzájárulás az üzemanyag fogyasztás csökkenéshez a formula robosztusság és stabilitás növelésével lehetővé teszi a motortechnológia változások adaptálását Presenting to [name] 82 82
Energia egyenleg az autóban Kb. 16% a súrlódási veszteség a) viszkozitás csökkentés, nem hagyományos bázisolajok alkalmazásával b) súrlódáscsökkentő adalékok Presenting to [name] 83 83 Új és hagyományos motortechnológia összehasonlítása Az új tömeg- és méretcsökkentett motorokban versenyautókkal összemérhető terhelést kap az olaj Presenting to [name] 84 84
Motorolaj elvárások régen és most 85 Jármű erőforrások változása 2030-ban még 90% a legalább részben belsőégésű motorral hajtott autók részaránya Presenting to [name] 86 86
87