Syntetyczny preparat smarowy do silników spalinowych najnowszych generacji, stosowanych zwłaszcza w samochodach osobowych poruszających się w ruchu miejskim.
Na rynku znanych jest wiele gatunków olejów silnikowych różnych producentów, o różnych klasach lepkościowych, spełniających różne wymagania narzucane użytkownikom przez poszczególnych producentów określonych marek (modeli) samochodów. Oleje silnikowe oferowane przez producentów i dystrybutorów najogólniej można podzielić m.in. na oleje mineralne; półsyntetyczne oraz syntetyczne. Jednym z problemów jest fakt, że często olej oferowane jako syntetyczne nie są olejami w pełni syntetycznymi, ponieważ proces ich wytwarzania bazuje w dużej mierze na wykorzystaniu oleju mineralnego jaki oleju bazowego, który spełnia określa normy, ale niekoniecznie stanowi rozwiązanie pozwalające na zapewnienie maksymalnej ochrony silnikowi czy też umożliwiający osiągnięcie mniejszego zużycia paliwa przez pojazd. Ponadto oleje te, w przypadku wycieków bądź katastrof podczas jego transportu, stanowią bardzo duże zagrożenie dla środowiska naturalnego.
Celem badań było opracowanie preparatu smarowego o lepkości 5W30 charakteryzującego się znacząco lepszymi właściwościami tribologicznymi oraz parametrami fizykochemicznymi od olejów o lepkości 5W30 dostępnych na rynku, a następnie zweryfikowanie poprawności opracowanej receptury podczas badań właściwości fizykochemicznych i właściwości tribologicznych (L.1-15) nowego oleju w porównaniu do wyników uzyskanych przez oleje konkurencyjne dostępne na rynku. Preparat smarowy według nowej receptury opracowano z myślą o samochodach pokonujących krótkie odległości i z tego powodu pracujących zwykle poniżej zalecanej temperatury roboczej silnika. Nowy olej 5W30 był opracowywany z myślą o osiągnieciu możliwie jak najlepszych właściwości fizykochemicznych takich jak np. indeks lepkości oraz właściwości tribologicznych (L.1-15) takich jak np. obciążenie zacierające na tle olejów 5W30 dostępnych obecnie na rynku.
1. Opracowanie receptury.
Istota nowoopracowanego syntetycznego preparatu smarowego do zastosowania w silnikach spalinowych najnowszych generacji, zwłaszcza samochodów osobowych, stanowiący mieszaninę komponentów, w skład której wchodzą m.in. oleje bazowe, wiskozator oraz dodatki uszlachetniające w odpowiednio dobranych proporcjach, polega na tym, że olejem bazowym jest bazowy olej syntetyczny stanowiący mieszaninę ciężkiego alkilobenzenu HAB z liniowym alkilobenzenem LAB. Udział syntetycznego oleju bazowego w formulacji zawiera się w przedziale od 10% do 40% (korzystnie 25%), natomiast pozostałe składniki formulacji stanowią organiczne modyfikatory tarcia, których udział w mieszaninie zawiera się w przedziale od 0,2% do 1%, (korzystnie 0,6%), syntetyczny olej PAO, którego zawartość w formulacji zawiera się w przedziale od 25% do 65%, (korzystnie 45%), pakiet uszlachetniaczy w postaci nieorganicznych modyfikatorów tarcia, zawierający się w przedziale od 10% do 18%, (korzystnie 13,4%) oraz wiskozator, którego zawartość w formulacji zawiera się w przedziale od 12% do 20%, (korzystnie 16%),
Podstawowe parametry fizykochemiczne składników nowego preparatu smarowego kształtują się następująco:
- bazowy olej syntetyczny w 100 °C wg ASTM D-445 charakteryzuje się lepkością w przybliżeniu 3,53 cSt, natomiast w 20 °C wg ASTM D-445 lepkość zawiera się w przedziale od 41,4 do 54,1 cSt, a jego gęstość w 20 °C korzystnie wynosi 0,8641 g/cm3, temperatura zapłonu wg ASTM D-93 wynosi co najmniej 192 °C, a początkowa temperatura wrzenia wg ASTM D86 jest nie mniejsza niż 349 °C.
- syntetyczny olej PAO – lepkość w 100°C wg ASTM D445 równa w jest w przybliżeniu 4,1 cSt, natomiast lepkość w 40°C wg ASTM D445 równa jest w przybliżeniu 19 cSt, temperatura płynięcia wg ASTM D97 wynosi korzystnie -66 °C, natomiast temperatura zapłonu wg ASTM D-93 wynosi co najmniej 220 °C,
- pakiet uszlachetniaczy zawierających nieorganiczne modyfikatory tarcia, o cząsteczkach o niskiej masie cząsteczkowej zawierającej się w przedziale od 250 do 500 Daltonów, charakteryzuje się lepkością w 100°C wg na poziomie 162 cSt (ASTM D445), natomiast w 40°C wg ASTM D445 lepkość jest równa w przybliżeniu 2642 cSt, a gęstość mierzona w 15°C wg ASTM D4052 równa jest w przybliżeniu 946 kg/m3, temperatura zapłonu wg ASTM D-93 wynosi co najmniej 110 °C.
- wiskozator, składający się z jądra wokoło którego umieszczone są sprężyste ramiona polimeru o strukturze gwiazdy, charakteryzuje się lepkością w 100°C na poziomie 259 cSt (zgodnie ASTM D445) , natomiast w 40°C lepkość jest równa w przybliżeniu 3159 cSt, a gęstość mierzona w 15°C wg ASTM D4052 wynosi ok. 837,6 kg/m3, natomiast temperatura zapłonu wg ASTM D-93 wynosi co najmniej 216°C
Dzięki zastosowanym rozwiązaniom osiągnięto m.in. następujące korzyści techniczno-użytkowe:
- zredukowanie tarcia związanego z pompowaniem nadmiernie gęstego oleju w niskich temperaturach co powoduje dodatkowe opory ruchu,
- uzyskano wysoką wartość wskaźnika lepkości w stosunku do olejów silnikowych dostępnych na rynku
- uzyskano najniższą temperaturę płynięcia oleju z wszystkich badanych olejów silnikowych dostępnych na rynki
- zmniejszenie tarcia granicznego na styku metali poprzez zastosowanie organicznych modyfikatorów tarcia o wielkości cząsteczek od 5.000 do 50.000 Daltonów (nowy olej osiągnął najwyższy wynik obciążenia zacierającego w przeprowadzonych badaniach tribologicznych)
Opracowany preparat smarowy stanowi zbalansowaną mieszaninę odpowiednio dobranych komponentów, w skład której wchodzą oleje bazowe, wiskozator oraz dodatki uszlachetniające w odpowiednio dobranych proporcjach. Kompozycja tej mieszaniny określająca skład jakościowy i ilościowy stanowi formulację produktu. Poszczególne elementy formulacji zostały dobrane w taki sposób, aby charakteryzowały się synergizmem działania, dzięki czemu uzyskano wymienione wcześniej korzyści techniczno- użytkowe.
Istotne przy tym jest, że wykorzystanie w formulacji bazowego oleju syntetycznego syntetycznego , stanowiącego mieszaninę ciężkiego alkilobenzenu HAB (96,8%) z liniowym alkilobenzenem LAB (3,2%), opisanego poniższym wzorem chemicznym
zapewnia najlepsze przestrzenne zorientowanie cząsteczek HAB względem organicznych modyfikatorów tarcia. Rozwiązanie to według wiedzy autora nie było dotychczas stosowane w olejach silnikowych.
Zastosowane w recepturze organiczne modyfikatory tarcia, nie zawierają związków fosforu P, siarki S, wapnia Ca, manganu Ma, cynku Zn czy też molibdenu Mo, które dotychczas były powszechnie stosowane w nieorganicznych modyfikatorach tarcia.
Ponadto zastosowany wiskozator złożony jest z jądra wokoło którego umieszczone są sprężyste ramiona polimeru o strukturze gwiazdy. Dzięki nim wiskozator w wysokich temperaturach rozszerza się, co powoduje istotny wzrost lepkości, pożądany z perspektywy właściwości użytkowych.
Z kolei w niskich temperaturach kurczy się i lepkość oleju wzrasta jedynie nieznacznie. Jest to bardzo korzystne zjawisko, gdyż zapewnia utrzymywanie odpowiednio wysokiej lepkości oleju w wysokich temperaturach pod dużymi obciążeniami silnika, chroniąc silnik przed zatarciem. W niskich temperaturach natomiast nie powoduje nadmiernego zagęszczania oleju zapewniając dostateczną płynność i umożliwiając rozruch silnika nawet w ekstremalnie niskich temperaturach. Ponadto zastosowany wiskozator posiada niską wartość wskaźnika odporności na ścierania (SSI), który w przypadku innych wiskozatorów może zawierać się w granicach od 9 do nawet 60, natomiast im niższy wskaźnik tym większa trwałość wiskozatora, co umożliwia wydłużenie okresów wymiany oleju.
2. Badania laboratoryjne właściwości fizykochemicznych nowej receptury oleju 5W40 w odniesieniu do wyników badań pięciu olejów konkurencyjnych.
1/ Badanie własności reologicznych (CCS w -10°C, -15°C, -20°C, -25°C, -30°C) wykonanych na automatycznym aparacie Cannon Instrument Company CCS-2100 (Cold Cranking Simulator - Symulator Zimnego Rozruchu) wg normy ASTM D5293 Standard Test Method for Determination of Yield Stress and Apparent Viscosity of Engine Oils at Low Temperature.
Parametr ten informuje o tym, jaki opór stawia schłodzony olej. Lepkość zmierzona tą metodą przekłada się bezpośrednio na to, czy dany olej w temperaturach ujemnych będzie umożliwiał rozruch silnika. Parametr ten stanowi charakterystykę lepkościową w niskich temperaturach oleju silnikowego i jest jednym z najważniejszych wskaźników, ponieważ jest podstawą klasyfikacji wyrobu zgodnie z normą SAE J300.
Wykres 1. Własności reologiczne badanych olejów w temperaturze: w -10°C, -15°C, -20°C, -25°C, -30°C, badanie wykonane na aparacie Cannon Instrument Company CCS-2100 (Cold Cranking Simulator - Symulator Zimnego Rozruchu) wg normy ASTM D5293 Standard Test Method for Determination of Yield Stress and Apparent Viscosity of Engine Oils at Low Temperature
Diagram 1. Rheological properties of the tested oils at temperatures: at -10 ° C, -15 ° C, -20 ° C, -25 ° C, -30 ° C, the test was performed with the Cannon Instrument Company CCS-2100 apparatus (Cold Cranking Simulator - Cold Start Simulator) according to ASTM D5293 Standard Test Method for Determination of Yield Stress and Apparent Viscosity of Engine Oils at Low Temperature
Wykres 1. Własności reologiczne badanych olejów w temperaturze: w -10°C, -15°C, -20°C, -25°C, -30°C, badanie wykonane na aparacie Cannon Instrument Company CCS-2100 (Cold Cranking Simulator - Symulator Zimnego Rozruchu) wg normy ASTM D5293 Standard Test Method for Determination of Yield Stress and Apparent Viscosity of Engine Oils at Low Temperature
Na wykresach przedstawiono wartości lepkości w różnych temperaturach -10 °C, -15 °C, -20 °C, -25 °C, -30 °C dla pięciu próbek olejów konkurencyjnych znanych producentów oraz dla nowej receptury oleju silnikowego. Nowoopracowany olej posiada najniższe wartości lepkości w każdej z temperatur, co jest wynikiem bardzo korzystnym, ponieważ niższa lepkość oznacza niższe opory ruchu co przekłada się bezpośrednio na niższe zużycie paliwa oraz łatwiejszy rozruch silnika w niższych temperaturach. Z pomiarów wynika, że nowoopracowany olej 5W30 przy -30° C posiada lepkość taką jak oleje konkurencyjne w temperaturze -25° C i analogicznie przy -25° C tak jak inne oleje w -20° C itd. Zapewnia więc pewien bufor bezpieczeństwa, w przypadku wystąpienia nawet skrajnie ujemnych temperatur otoczenia.
2/ Kolejnym wykonanym badaniem jest określenie Pour Point na aparacie Cloud & Pour Point Tester CAPP I firmy Anton Paar Automatyczny tester do wyznaczania temperatury płynięcia i mętnienia wg normy ASTM D97 Standard Test Method for Pour Point. Temperatura płynięcia to temperatura, w której olej jest na granicy utraty płynności, ale pozostaje jeszcze cieczą i zapewnia poprawną pracę silnika. Olej charakteryzujący się niższą temperaturą płynięcia zapewnia poprawną pracę silnika w niższej temperaturze, minimalizując tarcie powierzchni współpracujących także w niskich temperaturach, gdy silnik nie osiągnął jeszcze swojej normalnej temperatury pracy.
Diagram 2. Results of the Pour Point test (pour point) of the tested oils. The test was performed on the Anton Paar Cloud & Pour Point Tester CAPP I, according to ASTM D97 Standard Test Method for Pour Point
Wykres 2. Wyniki badania Pour Point (Temperatura płynięcia) testowanych olejów. Badanie wykonane na aparacie Cloud & Pour Point Tester CAPP I firmy Anton Paar, wg normy ASTM D97 Standard Test Method for Pour Point
Na wykresach przedstawiono wartości Pour Point dla pięciu próbek olejów konkurencyjnych znanych producentów oraz dla nowego oleju 5W30. Opracowany według nowej receptury olej posiada najniższe wartości Pour Pointa, co jest wynikiem bardzo korzystnym, ponieważ umożliwi on poprawny rozruch silnika nawet w ekstremalnie niskiej temperaturze otoczenia. Próbka T posiada wartość Pour Point na poziomie -39°C, a więc aż o 12°C wyższą niż osiągnięta przez nowoopracowany olej 5W30.
3/ Lepkość zbadana w temperaturach +40°C i +100°C oraz obliczony na ich podstawie wskaźnik lepkości (wskaźnik VI). Pomiar wykonany zgodnie z normą ASTM D7042 Standard Test Method for Dynamic Viscosity and Density of Liquids by Stabinger Viscometer (and the Calculation of Kinematic Viscosity) na aparacie Stabinger typ SVM 3000. Lepkość oleju ma decydujące znaczenie dla pracy i utrzymania warstwy olejowej (filmu) pomiędzy trącymi się powierzchniami metalu. Zapewnia tarcie płynne i chroni przed zużyciem. Ma wpływ na ilość traconej energii na pokonanie oporów tarcia (sprawność węzła). Od lepkości zależy szybkość i energia potrzebna do uruchomienia silnika, sprawność odprowadzania ciepła, stopień uszczelnienia pary tłok-cylinder, wydajność filtrów, zużycie oleju. Pomiar lepkości w 40 °C i 100 °C pozwala na wyznaczenie wskaźnika lepkości produktu, który pozwala ocenić czy olej ma niezbędną stabilność lepkościową – czyli czy zachowuje swoje właściwości zarówno przy rozruchu silnika, jak i przy jego pełnym rozgrzaniu.
Diagram 3. Kinematic viscosity test results at 40 ° C. Made on Stabinger type SVM 3000, in accordance with ASTM D7042 Standard method for testing dynamic viscosity and density of liquids using a Stabinger viscometer (and calculating the kinematic viscosity)
Wykres 3. Wyniki badania lepkości kinematycznej w temperaturze 40 °C. Badanie wykonane na aparacie Stabinger typ SVM 3000, zgodnie z normą ASTM D7042 Standard Test Method for Dynamic Viscosity and Density of Liquids by Stabinger Viscometer (and the Calculation of Kinematic Viscosity). Lepkość oleju w 40 ° C, nie jest wartością normowaną, natomiast standardowo oznaczaną, w celu późniejszego określenia wskaźnika lepkości 9wskaźnik VI)
Natomiast pomiar lepkości kinematycznej w 100°C jest bardzo istotny, ponieważ na podstawie tego parametru dokonuje się klasyfikacji oleju zgodnie z normą SAE J300.
Diagram 4. Kinematic viscosity test results at 100 ° C. Made on Stabinger type SVM 3000, in accordance with ASTM D7042 Standard method for testing dynamic viscosity and density of liquids using a Stabinger viscometer (and calculating the kinematic viscosity)
Wykres 4. Wyniki badania lepkości kinematycznej w temperaturze 100 °C. Badanie wykonane na aparacie Stabinger typ SVM 3000, zgodnie z normą ASTM D7042 Standard Test Method for Dynamic Viscosity and Density of Liquids by Stabinger Viscometer (and the Calculation of Kinematic Viscosity)
Jak widać lepkość w 100°C nowego oleju 5W30 zawiera się pośrodku wartości minimalnej i maksymalnej dla tego typu oleju, jest najbardziej zbliżona do próbki W, natomiast próbki M i K znajdują się praktycznie w granicy dolnej normy, a próbka Q w granicy górnej normy – więc są dalekie od wartości optymalnych.
Wskaźnik VI (Wskaźnik lepkości) określa jak się zmienia lepkość oleju wraz ze spadkiem temperatury i jak maleje lepkość ze wzrostem temperatury. Im wyższy wskaźnik VI tym środek smarny jest lepszy, gdyż jest mniej gęsty w niższych temperaturach, a jednocześnie odpowiednio wysoko lepki/gęsty w temperaturach wysokich. Wskaźnik obliczany jest automatycznie np. wykonanych wcześniej pomiarów lepkości w 40° i w 100° Celsjusza w aparacie Stabinger typ SVM 3000.
Diagram 5. Viscosity index (VI index) for the tested oils, measurement with the Stabinger SVM 3000 apparatus, in accordance with ASTM D7042 Standard Test Method for Dynamic Viscosity and Density of Liquids by Stabinger Viscometer (and the Calculation of Kinematic Viscosity).
Wykres 5. Wskaźnik lepkości (Wskaźnik VI) dla badanych olejów, pomiar na aparacie Stabinger typ SVM 3000, zgodnie z normą ASTM D7042 Standard Test Method for Dynamic Viscosity and Density of Liquids by Stabinger Viscometer (and the Calculation of Kinematic Viscosity)
Jak wynika z wykresu wartość wskaźnika lepkości jest najwyższa dla nowoopracowanego oleju 5W30, co oznacza, że wypada on najlepiej na tle porównywanych olejów – jego lepkość nie zwiększa się nadmiernie wraz ze spadkiem tamperatury (czyli zapewnia optymalne smarowanie silnika także podczas mrozu), a dodatkowo nie zmniejsza się nadmiernie wraz ze wzrostem temperatury, więc zachowuje dobre warunki pracy silnika także w wysokich temperaturach.
5/ Pomiar zawartości substancji lotnych -użyto do badań zawansowany chromatograf model TRACE 1200 firmy Thermo scientific. Badanie zostało wykonane zgodnie z ASTM D6417(MOV) Standard Test Method Estimation of Engine Oil Volatility by Capillary Gas Chromatography. Zawartość substancji lotnych wg ASTM D6417 w olejach silnikowych jest bardzo istotnym parametrem, ze względu na bardzo wysoką temperaturę pracy silnika. Odparowywanie substancji lotnych z oleju w podwyższonej temperaturze powoduje zmianę składu produktu, a co za tym wzrost lepkości. W wyniku tego olej traci swoje właściwości smarujące, które ostatecznie prowadzą do spadku pompowalności, zwłaszcza w niskich temperaturach większego zużycia paliwa i oleju silnikowego, zużycia silnika oraz zwiększenia emisji zanieczyszczeń. Mniejsza ilość substancji lotnych w oleju poprawia własności użytkowe oleju i przekłada się bezpośrednio na bardziej energooszczędną pracę silnika w całym okresie jego eksploatacji aż do czasy wymiany oleju na nowy.
Diagram 6. Measurement of volatile substances content in the tested oils according to ASTM D6417 (MOV) Standard Test Method Estimation of Engine Oil Volatility by Capillary Gas Chromatography, on a chromatograph model TRACE 1200 by Thermo Scientific.
Wykres 6. Pomiar zawartości substancji lotnych w badanych olejach zgodnie z ASTM D6417(MOV) Standard Test Method Estimation of Engine Oil Volatility by Capillary Gas Chromatography, na chromatografie model TRACE 1200 firmy Thermo scientific.
Olej według nowej receptury ustępuje tylko o 6,7% od najniższego wyniku, jednak należy zauważyć, że wartości zawartości substancji lotnych pozostałych olejów są znacznie wyższe. Niski poziom substancji lotnych przekłada się na zminimalizowanie konieczności uzupełniania stanu oleju w silniku, a także przekłada się na bardziej energooszczędną pracę silnika w całym okresie jego eksploatacji.
6/ Pomiar temperatury, w jakiej doszło do odparowania określonej procentowej ilości badanej próbki oleju. Wyższa temperatura oznacza mniejsze straty oleju na skutek odparowania, co przekłada się na brak konieczności lub możliwość rzadszego uzupełniania poziomu oleju w silniku pomiędzy wymianami. Wyniki pomiarów dla 10% i 20% przedstawiono poniżej.
Diagram 7. Measurement of the evaporation temperature 10% of the price for the tested oils.
Wykres 7. Pomiar temperatury odparowania 10% objętości próbki dla badanych olejów.
Spośród badanych olejów, olej opracowany według nowej receptury wykazuje się bardzo wysoką odpornością na odparowanie, ponieważ dopiero przy temperaturze 408,5 ° Celsjusza następuje odparowanie 10% objętości oleju. Zbliżoną temperaturę osiągnęła próbka Q, pozostałej oleje charakteryzują się znacząco niższą temperaturą odparowania. Wysoka temperatura odparowania jest bardzo ważnym parametrem, ponieważ przekłada się bezpośrednio na konieczność uzupełniania oleju między wymianami, a tym samym obniża koszty eksploatacji, oraz zapewnia stabilne warunki pracy silnika.
Diagram 8. Measurement of the evaporation temperature 20% of the price for the tested oils.
Wykres 8. Pomiar temperatury odparowania 20% objętości próbki dla badanych olejów.
Spośród badanych olejów, olej opracowany według nowej receptury wykazuje się bardzo wysoką odpornością na odparowanie, ponieważ dopiero przy temperaturze 422,4 ° Celsjusza następuje odparowanie 20% objętości oleju. Zbliżoną temperaturę osiągnęła próbka Q, pozostałej oleje charakteryzują się znacząco niższą temperaturą odparowania. Wysoka temperatura odparowania jest bardzo ważnym parametrem, ponieważ przekłada się bezpośrednio na konieczność uzupełniania oleju między wymianami, a tym samym obniża koszty eksploatacji, oraz zapewnia stabilne warunki pracy silnika.
3. Badania właściwości przeciwzużyciowych i przeciwzatarciowych nowej formulacji oleju 5W30 w odniesieniu do wyników badań pięciu olejów konkurencyjnych, dostępnych na rynku.
Przeprowadzono również szczegółowe specjalistyczne badania właściwości przeciwzużyciowych i przeciwzatarciowych próbek (L.1-15) olejów oznaczonych jako T, M, W, Q, K oraz nowego oleju 5W30. Badania wykonano na aparacie czterokulowym w Instytucie Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy Zakład Technologii Proekologicznych w Radomiu poprzez zbadanie zgodnie z wymogami normy PN-76/C-04147 oraz za pomocą zmodyfikowanego aparatu czterokulowego wg metody opracowanej w ITeE J_PB/LBT/02, będącą rozwinięciem normy:
ASTM D4172 Standard Test Method for Wear Preventive Characteristics of Lubricating Fluid Four-Ball Method) następujących parametrów:
1/ Obciążenie zacierające Pt [N] badane wg metody PN-76/C-04147
2/ Średnica śladu zużycia doz [mm] badane wg metody J_PB/LBT/02
3/ Graniczny nacisk zatarcia poz [N/mm2] badane wg metody J_PB/LBT/02
4/ Obciążenie zespawania Pz [N] badane wg metody PN-76/C-04147
Szczegółowe wyniki badań przedstawiono w tabeli i na wykresach poniżej (opis pod każdym grafem).
Badany parametr | Metoda badawcza | Nowy olej 5w30 | Próbka T | Próbka M | Próbka W | Próbka Q | Próbka K |
Obciążenie zacierające Pt [N] | PN-76/C-04147 | 2200 ± 100 | 1600 ± 100 | 2200 ± 100 | 1900 ± 100 | 1500 ± 100 | 2100 ± 100 |
Średnica śladu zużycia doz [mm] | J_PB/LBT/02 | 2,65 ± 0,03 | 2,21 ± 0,03 | 2,78 ± 0,04 | 2,81 ± 0,02 | 2,81 ± 0,03 | 2,68 ± 0,03 |
Graniczny nacisk zatarcia poz [N/mm2] | J_PB/LBT/02 | 533,14 ± 12,08 | 766,57 ± 20,82 | 484,45 ± 13,95 | 474,16 ± 6,75 | 237,08 ± 5,04 | 521,27± 9,67 |
Obciążenie zespawania Pz [N] | PN-76/C-04147 | >7848 | 6082,2 ± 1765,8 | 7848 ± 1765,8 | >7848 | >7848 | 6082,2 ± 1765,8 |
Table 1. The results of the tests performed on the seizing load, the diameter of the wear mark and the limit seizure pressure, performed on a four-ball apparatus in the Institute of Sustainable Technology - National Research Institute, Department of Proecological Technologies in Radom, in accordance with ASTM D4172 Standard Test Method for Wear Preventive Characteristics of Lubricating Fluid Four-Ball Method)
Tabela 1. Wyniki wykonanych badań obciążenia zacierającego, średnicy śladu zużycia i granicznego nacisku zatarcia, wykonane na aparacie czterokulowym w Instytucie Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy Zakład Technologii Proekologicznych w Radomiu, zgodnie z normą ASTM D4172 Standard Test Method for Wear Preventive Characteristics of Lubricating Fluid Four-Ball Method)
1/ Obciążenie zacierające Pt [N] wg PN-76/C-04147
Diagram 9. The results of the seizing load test for the tested oils. Test performed on a four-ball apparatus in accordance with ASTM D4172 Standard Test Method for Wear Preventive Characteristics of Lubricating Fluid Four-Ball Method)
Wykres 9. Wyniki badania obciążenia zacierającego dla badanych olejów. Badanie wykonane na aparacie czterokulowym, zgodnie z normą ASTM D4172 Standard Test Method for Wear Preventive Characteristics of Lubricating Fluid Four-Ball Method)
Nowoopracowany olej osiągnął najwyższy wynik obciążenia zacierającego, na tym samym poziomie jak próbka M. Oznacza to, że nowy olej 5W30 zapewnia bardzo warunki pracy silnika, chroniąc go przed uszkodzeniami.
2/ Średnica śladu zużycia doz [mm] wg J_PB/LBT/02
Diagram 10. Results of the wear mark diameter test for the tested oils. Test performed on a four-ball apparatus in accordance with ASTM D4172 Standard Test Method for Wear Preventive Characteristics of Lubricating Fluid Four-Ball Method)
Wykres 10. Wyniki badania średnicy śladu zużycia dla badanych olejów. Badanie wykonane na aparacie czterokulowym, zgodnie z normą ASTM D4172 Standard Test Method for Wear Preventive Characteristics of Lubricating Fluid Four-Ball Method)
Nowy olej 5W30 wykazał się drugim w kolejności najniższym wynikiem w teście mierzenia średnicy śladu zużycia, najniższym wynikiem wykazała się próbka T, natomiast osiągnęła ona bardzo niski wynik w badaniu obciążenia zacierającego co przekłada się także na osiągniętą średnicę śladu zużycia.
3/ Graniczny nacisk zatarcia poz [N/mm2] wg J_PB/LBT/02
Diagram 11. Results of the limit seizure pressure test for the tested oils. Test performed on a four-ball apparatus in accordance with ASTM D4172 Standard Test Method for Wear Preventive Characteristics of Lubricating Fluid Four-Ball Method)
Wykres 11. Wyniki badania granicznego nacisku zatarcia dla badanych olejów. Badanie wykonane na aparacie czterokulowym, zgodnie z normą ASTM D4172 Standard Test Method for Wear Preventive Characteristics of Lubricating Fluid Four-Ball Method)
O utracie właściwości smarnych badanych olejów świadczy duży przyrost momentu tarcia po przekroczeniu obciążenia zacierającego, przy równoczesnym wzroście średnicy śladów zużycia kulek stanowiących elementy węzła tarcia.
Badana próbka osiągnęła drugi w kolejności wynik granicznego nacisku zatarcia.
4/ oznaczanie obciążenia zespawania Pz [N] wg PN-76/C-04147
Diagram 12. The results of the weld load test for the tested oils. Test performed on a four-ball apparatus in accordance with ASTM D4172 Standard Test Method for Wear Preventive Characteristics of Lubricating Fluid Four-Ball Method)
Wykres 12. Wyniki badania obciążenia zespawania dla badanych olejów. Badanie wykonane na aparacie czterokulowym, zgodnie z normą ASTM D4172 Standard Test Method for Wear Preventive Characteristics of Lubricating Fluid Four-Ball Method)
Cztery badane oleje, w tym olej nowoopracowany osiągnęły identyczny wynik obciążenia zespawania na poziomie 7848, jest to jednocześnie najwyższy osiągnięty wynik w tym badaniu.
4. Podsumowanie :
Celem badań było opracowanie preparatu smarowego o lepkości 5W30 charakteryzującego się znacząco lepszymi właściwościami tribologicznymi oraz parametrami fizykochemicznymi od olejów o lepkości 5W30 dostępnych na rynku, a następnie zweryfikowanie poprawności opracowanej receptury podczas badań właściwości fizykochemicznych i właściwości tribologicznych nowego oleju w porównaniu do wyników uzyskanych przez oleje konkurencyjne dostępne na rynku.
Nowoopracowany olej osiągnął najwyższy pośród badanych olejów wskaźnik lepkości, co jest bardzo istotnym parametrem, ponieważ im wyższy wskaźnik lepkości (wskaźnik VI) tym środek smarny jest lepszy, gdyż jest mniej gęsty w niższych temperaturach, a jednocześnie odpowiednio wysoko lepki/gęsty w temperaturach wysokich. Wysoki wskaźnik lepkości zapewnia optymalne warunki pracy silnika zarówno w niskich jak i w wysokich temperaturach. Nowy olej 5W30 wykazuje się bardzo niskim stopniem odparowania (drugi najniższy wśród badanych olejów), a także najwyższą temperaturą odparowania 10 i 20% swojej objętości. Nowy olej 5W30 charakteryzuje się także najniższą wartością Pour Point, co gwarantuje prawidłowy rozruch silnika nawet w ekstremalnie niskich temperaturach.
W trakcie przeprowadzonych badań tribologicznych nowoopracowany olej osiągnął wysoką wartość obciążenia zacierającego, przy jednej z najniższych średnic śladu zużycia, świadczy to o jego bardzo dobrych właściwościach tribologicznych i tym samym zapewnieniu optymalnych warunków pracy silnika.
Preparat smarowy według nowej receptury opracowano z myślą o samochodach pokonujących krótkie odległości i z tego powodu pracujących zwykle poniżej zalecanej temperatury roboczej silnika. Wykonane badania potwierdziły jego właściwości, a więc zapewnienie optymalnych warunków pracy silnika, także gdy nie osiągnął jeszcze optymalnej temperatury pracy, zatem sprawdzi się idealnie do zastosowania w autach przemieszczających się w warunkach miejskich.
5. Podziękowanie
Serdecznie dziękuję Pani Profesor Elżbiecie Rogoś, oraz całemu zespołowi Zakładu Technologii Proekologicznyc;h Instytutu Technologii Eksploatacji – Państwowego Instytutu Badawczego w Radomiu za udział w badaniach tribologicznych nowego oleju 5W30 i olejów konkurencyjnych oraz ogromną pomoc merytoryczną w całym projekcie opracowania nowego oleju silnikowego 5W30.
6. Literatura
- Kajdas C., Majzner M, Effectiveness of selected CHO compounds as antiwear additives to white mineral oils. Tribology Transactions. 2005
- Jayadas, N.H., Prabhakaran Nair K., Ajithkumar G., Tribological evaluation of coconut oil as an environment-friendly lubricant. Tribology International. 2007
- Zeng X., Li J., Wu X., Ren T., Liu W., The tribological behaviors of hydroxyl-containing dithiocarbamate-triazine derivatives as additives in rapeseed oil. Tribology International. 2007
- Sharma Brajendra K., Adhvaryu A., Erhan Sevim Z., Friction and wear behavior of thioether hydroxy vegetable oil. Tribology International. 2009
- Sułek M.W., Bocho-Janiszewska A., The effect of metal 8-hydroxyquinolinates as lubricant additives on the friction process. Tribology Letters. 2003
- Tuszyński W., Michalczewski R., Piekoszewski W., Szczerek M., Effect of ageing automotive gear oils on scuffing and pitting. Tribology International. 2008
- Rico E. Fernández, Minondo I., Cuervo D. García, Rolling contact fatigue life of AISI 52100 steel balls with mineral and synthetic polyester lubricants with PTFE nanoparticle powder as an additive. Wear. 2009
- Michalczewski R., Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszyński W., The lubricant – coating interaction in rolling and sliding contacts. Tribology International. 2009
- Szczerek M., Tuszyński W., Badania tribologiczne. Zacieranie. Wyd. ITeE, Radom 2000.
- Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszyński W., The action of lubricants under extreme pressure conditions in a modified four-ball tester. Wear. 2001
- Szczerek M., Tuszyński W., A method for testing lubricants under conditions of scuffing. Part I. Presentation of the method. Tribotest journal. 2002
- Burakowski T., Szczerek M., Tuszyński W., Scuffing and seizure – chara-cterization and investigation. Rozdział 6 pracy zbiorowej (red. Totten G.E., Liang H.), Mechanical Tribology. Materials, characterization, and applications. Wyd. Marcel Dekker, Inc. (USA), New York – Basel 2004.
- Michalczewski R., Szczerek M., Tuszyński W., Wulczyński J., Nowa metoda wyznaczania właściwości przeciwzatarciowych materiałów konstrukcyjnych i środków smarowych. ZEM. 2006
- Michalczewski R., Piekoszewski W., The method for assessment of rolling contact fatigue of PVD/CVD coated elements in lubricated contacts. Tribologia. Finish Journal of Tribology. 2006
- Libera M., Piekoszewski W., Waligóra W., The influence of operational conditions of rolling bearings elements on surface fatigue scatter. Tribologia. 2005
Artykuł w wersji anglojęzycznej ukazał się w Czasopiśmie TRIBOLOGIA nr 6/2021 (294)