زيوت محركات الاقتصاد في استهلاك الوقود: المنطق العلمي والخلافات

Abstract

نظرا لأن جزءا كبيرا من خسائر الطاقة في محرك الاحتراق الداخلي يأتي من التبديد اللزج ، فقد تحول الاتجاه نحو الزيوت منخفضة اللزوجة من SAE 40 و 50 في ستينيات القرن العشرين-ثمانينيات القرن العشرين إلى SAE 20 الحالية ودرجات اللزوجة المنخفضة. يقلل استخدام زيوت المحركات منخفضة اللزوجة بشكل كبير من فقد الطاقة في أنظمة المحمل الرئيسي والمكبس / التجويف ، بينما قد تزداد الضغوط القبلية على مجموعة الصمامات - خاصة في المحركات ذات الحدبات المسطحة. هذا يجعل حجة قوية لنشر فئات جديدة من معدلات الاحتكاك والمواد المضافة المضادة للتآكل. ومع ذلك ، فإن تطوير صيغة متوازنة ليس واضحا كما يبدو ، وقد تواجه العديد من المزالق بسبب التفاعلات المضافة. مشكلة خطيرة أخرى هي أن تعريف "زيت المحرك الاقتصادي للوقود" غامض إلى حد ما ، لأنه يعتمد على اختيار الزيت المرجعي. في الوقت الحاضر ، يعتمد تقييم الاقتصاد في استهلاك الوقود على اختبارات Sequence VIE أو VIF باستخدام محرك بنزين GM V6 سعة 3.6 لتر 2012. ليس من غير المتوقع أن تكون نتائج هذا الاختبار مضللة إلى حد كبير عند استقراء المحركات الحديثة منخفضة الإزاحة المعززة بشكل كبير. وبالتالي ، توجد أيضا العديد من اختبارات الاقتصاد في استهلاك الوقود الخاصة بمصنعي المعدات الأصلية وغالبا ما تؤدي تصميمات المحركات المختلفة إلى نتائج مثيرة للجدل. علاوة على ذلك ، قد يتغير أداء "الاقتصاد في استهلاك الوقود" لنفس الزيت في نفس المحرك بشكل كبير اعتمادا على دورة القيادة. على سبيل المثال ، قد يعزز الزيت منخفض اللزوجة الاقتصاد في استهلاك الوقود عند السرعات المبحرة (السرعة العالية / حد الحمل المنخفض) ويقلل من الاقتصاد في استهلاك الوقود أثناء القيادة العدوانية في المدينة (السرعة المنخفضة / الحمل العالي).

يجب أخذ جميع الظروف المذكورة أعلاه في الاعتبار عند محاولة مواءمة مطالبات الأداء المعيارية مع توقعات العملاء.

مقدمة

معايير الاقتصاد في استهلاك الوقود الجديدة للسيارات التي وضعتها الحكومات في الاقتصادات الرئيسية لمجموعة العشرين والتغير في تفضيلات العملاء مدفوعا بارتفاع أسعار الوقود إلى جانب ضرائب الكربون مما زاد من الضغط على شركات صناعة السيارات. في الولايات المتحدة الأمريكية ، أصدرت الإدارة الوطنية لسلامة المرور على الطرق السريعة (NHTSA) ووكالة حماية البيئة (EPA) مؤخرا قاعدة المركبات الأكثر أمانا وبأسعار معقولة وكفاءة في استهلاك الوقود (SAFE) التي تحدد معايير صارمة للاقتصاد في استهلاك الوقود وثاني أكسيد الكربون. تنطبق هذه المعايير على سيارات الركاب والشاحنات الخفيفة وتحدد هدفا متحركا سيزداد بنسبة 1.5٪ في الصرامة كل عام من طراز 2021 حتى 2026. تجدر الإشارة إلى أنه مع الاعتراف بحقائق السوق ، تم تخفيض شريط التوقعات إلى 40.4 ميلا في الغالون متوسط إجمالي متوقع للاقتصاد في استهلاك الوقود في MY 2026 ، مقارنة بمتطلبات 46.7 ميلا في الغالون المتوقعة بموجب معايير 2012. كان الأخير مرة أخرى أقل من أهداف وكالة حماية البيئة الأولية لعام 2025 البالغة 62 ميلا في الغالون التي تم الإعلان عنها قبل عقد من الزمان - والتي تم تخفيضها بعد ذلك بوقت قصير إلى 56 ميلا في الغالون.

هذا يدل على أن التقدم مؤلم إلى حد ما وأن الأهداف المفرطة في الطموح قد لا تتحقق دون أساس تكنولوجي متين وحوافز مالية قوية لدفع التغيير.

الأسواق الأخرى تتبع نفس الاتجاه، انظر الشكل 1.

الشكل 1 مقارنة معايير الاقتصاد في استهلاك الوقود في أسواق السيارات الرئيسية (المصدر: ICCT ، سبتمبر 2019)

في أوروبا ، اعتمد البرلمان الأوروبي والمجلس اللائحة (الاتحاد الأوروبي) 2019/631 التي تحدد معايير أداء انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لسيارات الركاب الجديدة والشاحنات الجديدة لعامي 2025 و 2030. اعتبارا من عام 2021 ، تم تحديد متوسط الانبعاثات المستهدفة على مستوى أسطول الاتحاد الأوروبي للسيارات الجديدة عند 95 جم من ثاني أكسيد الكربون / كم. هذا يتوافق مع استهلاك وقود يبلغ حوالي 4.1 لتر / 100 كم (57.4 ميلا في الغالون) من البنزين أو 3.6 لتر / 100 كم (65.3 ميلا في الغالون) من الديزل. يبلغ متوسط انبعاثات ثاني أكسيد الكربون اليوم للسيارات الجديدة المباعة في الاتحاد الأوروبي حوالي 120 جم من ثاني أكسيد الكربون / كم. يدفع مصنعو السيارات غرامة قدرها 95 يورو لكل جم / كم يزيد عن الهدف.

حددت معايير الاقتصاد في استهلاك الوقود الجديدة في اليابان الصادرة قبل عام هدفا لمتوسط الاقتصاد في استهلاك الوقود المكافئ للبنزين في الأسطول عند 25.4 كيلومترا لكل لتر (59.8 ميلا في الغالون) بحلول عام 2030 ، أي حوالي 30٪ من متوسط الأسطول اليوم.

هذه العوامل السياسية والاقتصادية تكثف جهود البحث والتطوير التي يتخذها مصنعو المعدات الأصلية الرئيسيون في سعيهم لتحسين كفاءة استهلاك الوقود. بصرف النظر عن الجهود المتضافرة بشأن كهربة مجموعة نقل الحركة واستخدام مصادر الطاقة البديلة لتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري (GHG) ، يتم التركيز بشكل كبير على فهم الجوانب القبلية لفقدان الطاقة في مجموعة نقل الحركة واستخدام التطورات الحالية في هندسة التشحيم والطلاء لتقليل تلك الخسائر. لتشجيع مثل هذا الابتكار البيئي ، يتم منح المصنعين "أرصدة انبعاثات" لنشر التقنيات المبتكرة التي يجب أن تؤدي - بناء على بيانات تم التحقق منها بشكل مستقل - إلى انخفاض انبعاثات CO2 على الرغم من أن إجراء الاختبار المستخدم للموافقة على نوع السيارة فشل في إثبات أي تأثير. إلى جانب ذلك ، يتم منح الشركات المصنعة "ائتمانات فائقة" لطرح السيارات ذات الانبعاثات الصفرية والمنخفضة (BEV ، PHEV) التي تنبعث منها أقل من 50 جم من ثاني أكسيد الكربون / km.

تكاليف التطوير وتكاليف المواد وتكاليف الإنتاج هي دائما عوامل مهمة عند تقييم إمكانات السوق لنهج أو آخر.

يرجع ما يقرب من ثلث استهلاك الوقود في السيارات إلى خسائر الاحتكاك [1] مع كون احتكاك مجموعة نقل الحركة أحد الأسباب الرئيسية ، انظر الشكل 2.

Fig.2 خسائر الطاقة في سيارات الركاب (المصدر: www.fueleconomy.gov)

لذلك ، ينظر إلى تطوير مجموعات نقل الحركة منخفضة الاحتكاك على أنه هدف مهم [1-3].

دور زيت المحرك في تطوير مجموعة نقل الحركة منخفضة الاحتكاك

يعتقد أن محركات السيارات تعمل في الغالب في النظام الهيدروديناميكي [4-6]. لذلك ، من خلال تقليل لزوجة زيوت التشحيم ، يمكن للمرء تقليل احتكاك المحرك وتحسين الاقتصاد في استهلاك وقود السيارة. يشرح الشكل 3 كيفية عمل هذه الاستراتيجية: على الجانب الأيسر يظهر منحنى عزم الدوران الفعلي لمحرك GDI نموذجي سعة 1.6 لتر ، وعلى الجانب الأيمن يظهر منحنى عزم دوران الاحتكاك لنفس المحرك الذي تم قياسه باستخدام منصة تعمل بمحرك. الاحتكاك "يلتهم" حوالي 1/10 من عزم الدوران المفيد الذي يمكن أن ينتجه المحرك. حقيقة أن عزم الاحتكاك يزداد مع سرعة المحرك يثبت نظام التشحيم الهيدروديناميكي. لذلك ، يساعد التغيير إلى مادة تشحيم منخفضة اللزوجة على تقليل عزم الاحتكاك عند عدد دورات عالية في الدقيقة.

الشكل 3 منحنى عزم الدوران (l.h.s.) ومنحنى عزم دوران الاحتكاك (r.h.s.) لمحرك i4 GDI سعة 1.6 لتر. كما يتم عرض الاستراتيجيات الهندسية الأساسية لتقليل الاحتكاك.

على مدى العقدين الماضيين، كان هناك اتجاه ثابت نحو مواد التشحيم منخفضة اللزوجة، انظر الشكل 4. وبالتالي ، تمت مراجعة معيار SAE J300 في 2015 ليشمل ثلاث درجات جديدة أخف وزنا ، SAE 16 و 12 و 8. أصبحت درجات PCMO الأثقل SAE xW-40 و xW-50 و xW-60 منتجات متخصصة. لا تتضمن مواصفات ILSAC GF-6 حتى اللزوجة فوق SAE 30. تحذو زيوت تشحيم تروس السيارات حذوها: تمت مراجعة معيار SAE J306 في عام 2019 بإضافة درجات اللزوجة SAE 75 و 70 و 65.

بالنسبة لسيارات الركاب، يؤدي التغيير من فئة SAE 10W-40 القديمة إلى 0W-20 إلى تحسن بنسبة 5٪ في المتوسط في الاقتصاد في استهلاك الوقود في ظل ظروف اختبار WLTP، ويمكن أن يؤدي الترحيل اللاحق إلى 0W-8 إلى تحقيق 5٪ إضافية، بشرط أن تتمكن أجهزة المحرك من التعامل بأمان مع مثل هذه اللزوجة المنخفضة. بالنسبة للشاحنات الثقيلة ، يكون التأثير أقل بكثير: من خلال التبديل من SAE 15W-40 القديم إلى 5W-20 ، لا يوفر المرء أكثر من 2٪ في ظل ظروف ESC ، وحتى أقل في ظل ظروف ETC. العديد من تصميمات HDDE القديمة غير قادرة على العمل مع زيت منخفض اللزوجة.

الشكل 4 الاتجاه المستمر نحو انخفاض اللزوجة وانخفاض زيوت التشحيم SAPS

ومع ذلك ، هناك عقبة أساسية أمام خفض لزوجة زيوت التشحيم أكثر فأكثر: إنها تآكل [7-11]. يتناسب سمك فيلم التشحيم الهيدروديناميكي طرديا مع لزوجة زيوت التشحيم. لذلك ، للحفاظ على نظام التشحيم الهيدروديناميكي ، سيتعين على المرء تغيير مواصفات تشطيب السطح وترقية مضخة الزيت ونظام تنقية الزيت [7]. بدون ذلك ، يكون خطر التآكل المفرط حقيقيا ولا يمكن تجاهله ، انظر الأشكال 5-6

الشكل 5 محاكاة ΔBSFC وتحمل خرائط صحية لمحرك سيارة ركاب حديث (بعد D.E. Sander et al. [8])

الشكل 5 يوضح خريطة ΔBSFC المحاكاة لمحرك سيارة ركاب حديث وخريطة صحة تحمل محاكاة لنفسه. في المنتصف ، يظهر التغيير في BSFC عند التغيير من SAE 0W-20 (الجانب الأيسر) إلى 0W-8 (في المنتصف) ، المنطقة الخضراء المقابلة لتحسين الاقتصاد في استهلاك الوقود ، والمنطقة الحمراء - إلى الاقتصاد في استهلاك الوقود المتدهور. تخفيض يصل إلى 20٪ في BSFC ممكن. لسوء الحظ ، يقتصر التأثير الأقصى على الجزء الخطأ من الخريطة: سرعات المحرك المتوسطة إلى العالية والحمل المنخفض. تنطبق مثل هذه الشروط على المحرك الذي يتسارع في وضع الخمول. بالقرب من المحرك "بقعة حلوة" ، يتم تقليل التأثير على BSFC إلى 10 ٪. ومع ذلك ، فإن الملاحظة الأكثر إزعاجا هي المنطقة الحمراء عند عدد دورات منخفض في الدقيقة وحمل محرك مرتفع ، لأن هذا لا يعني فقط تدهور الاقتصاد في استهلاك الوقود ولكن أيضا ارتفاع خطر التآكل [5,7-12]. هذا ما تؤكده المحاكاة الصحية الرئيسية للمحمل.

وقد لوحظت اتجاهات مماثلة لمحركات الديزل الثقيلة ، انظر الشكل 6. في الواقع ، يكون عدم التطابق أكثر وضوحا في هذه الحالة ، نظرا لأن أقصى تأثير لتوفير الوقود يأتي عند الحمل المنخفض والدورات العالية في الدقيقة ، بينما يحدث معظم التآكل عند الحمل العالي والسرعة المنخفضة ، بالقرب من بقعة المحرك الحلوة. بالنسبة للعديد من المحركات ، تبدأ المشاكل بالفعل عند التغيير من API CJ-4 القديم أو خليفته المتوافق مع الإصدارات السابقة API CK-4 إلى زيت محرك FA-4 أخف وزنا. في الوقت نفسه ، يمكن لبعض المحركات الجديدة - على سبيل المثال من سكانيا و DAF - استخدام زيوت بأمان خفيفة مثل 5W-20 وحتى 0W-16.

Fig.6 مشاكل التآكل المحتملة مع HDEO ذات اللزوجة المنخفضة للغاية (بعد P. Klejwegt et al. [9])

توضح الأمثلة أعلاه أنه في ظل السرعة المنخفضة - ظروف الحمل العالي قد يفشل فيلم زيوت التشحيم. ترتبط المشاكل عند السرعة العالية في الغالب بعدم كفاية سعة مضخة الزيت ويمكن معالجتها باستخدام مضخات متغيرة. عند سرعات المحرك العالية ، تلعب قوى القصور الذاتي التي تعمل على المجموعة الترددية وتأثيرات التجويف أيضا دورا متزايدا. قد يتسبب هذا في حدوث مشكلات في الطرف الصغير لواجهة قضيب التوصيل / دبوس المعصم والمحامل. بشكل عام ، تميل مواد التشحيم منخفضة اللزوجة إلى أن تكون أقل عرضة للتجويف.

نظرا لأن الفيلم الهيدروديناميكي ينهار عندما لا تكون هناك حركة نسبية بين أسطح الاحتكاك ، فإن مشاكل التآكل المرتبطة بإدخال مواد التشحيم منخفضة اللزوجة تتفاقم بسبب تقنية بدء التشغيل التلقائي [13،14]. يساعد استخدام مضخات الزيت الكهربائية والمحامل الدوارة لعمود الكامات وعمود الموازن في التخفيف من المشكلة. كما تمت تجربة أعمدة الكرنك المدعومة بمحمل الأسطوانة ولكن وجدت أنها غير عملية.

يمكن ضبط تركيبات زيوت علبة المرافق بدقة للحصول على الأداء الأمثل في ظل ظروف محددة. على سبيل المثال ، يمكن تصميم زيت المحرك لأداء أفضل عند سرعات المحرك العالية ودرجة الحرارة ، كما هو الحال مع زيوت السباق. ومع ذلك ، لن يكون زيت السباق خيارا جيدا للسيارات على الطرق الوعرة في حركة المرور في المناطق الحضرية. على العكس من ذلك ، يمكن للمرء أن يصمم زيت المحرك لأداء أفضل أداء في حركة المرور في المدينة المتقطعة ، ولكن بعد ذلك قد يفشل في كسب "دونات" الحفاظ على الموارد.

على عكس زيوت السباقات، تصاغ زيوت التشحيم السائدة لتحقيق التوازن بين عدد كبير من الخصائص المختلفة، وهو نوع من التحول النموذجي الواعي الذي لا مفر منه من "أن تكون الأفضل في شيء ما" إلى "أن تكون جيدا بما فيه الكفاية في كل شيء. نظرا لأن كفاءة استهلاك الوقود ينظر إليها على أنها جانب أداء مهم للغاية - في الواقع ، تتطلب العديد من موافقات OEM ذلك صراحة - سيستمر الانتقال إلى اللزوجة المنخفضة. ومع ذلك ، يجب الاعتراف بأن زيوت الاقتصاد في استهلاك الوقود لا معنى لها من الناحية الاقتصادية بالنسبة للمستهلك النهائي - نتحدث عن توفير الوقود بمقدار 100 يورو أو نحو ذلك مقارنة بخطر 1000 يورو إذا كان الزيت رقيقا جدا ويسبب تآكلا مفرطا للمحرك. ومع ذلك ، فإن فائدة هذه الزيوت تعود على مصنعي السيارات. إذا تمكنت سياراتهم من توفير 1-2٪ من الوقود باستخدام مادة تشحيم خاصة للاقتصاد في استهلاك الوقود ، فيمكن لمصنعي المعدات الأصلية أن يقللوا بشكل كبير من مقدار الغرامات التي قد يحتاجون إلى دفعها.

استخدام معدلات الاحتكاك في زيوت تشحيم علبة المرافق

تفسر متطلبات أداء زيوت التشحيم المتزايدة زيادة مطردة في حصة السوق لزيوت التشحيم الاصطناعية على مدى العقدين الماضيين. تتميز الزيوت الأساسية الاصطناعية بمزايا متعددة: اتساق أفضل للخصائص ، واستقرار أعلى للأكسدة ، وخصائص تدفق أفضل في درجات حرارة منخفضة ، وتقلب منخفض ، وما إلى ذلك ، انظر الشكل 7 إلى جانب الإضافات المناسبة ، يمكن استخدام الزيوت الأساسية الاصطناعية لتصنيع مواد التشحيم ذات الخصائص البارزة. نوع واحد من المواد المضافة يستحق الذكر بشكل خاص فيما يتعلق بزيوت المحركات الاقتصادية في استهلاك الوقود: معدلات الاحتكاك. معدلات الاحتكاك هي أداة لا غنى عنها ل "هندسة الزيت الذكية" ، انظر الشكل 3.

الشكل 7 الهجرة نحو توفير الوقود زيت محرك اصطناعي كامل

يمكن تجميع معدلات الاحتكاك تقريبا في فئتين رئيسيتين: (1) أنظمة الجسيمات (PTFE ، الجرافيت ، الجرافين ، MoS2 ، WS2 ، IF-WS2 ، حمض النانو بوريك ، جسيمات النحاس / النحاس النانوية ، إلخ) ؛ (2) أنظمة تشكيل طبقة الامتزاز ، والتي بدورها ، يمكن أن تكون أحادية الجزيء (أحادي أوليات الجلسرين ، أحادي أوليات سوربيتان ، الدهون الثلاثية الدهنية ، استرات الأحماض الهيدروكسية الكربوكسيلية ، استرات الفوسفات ، استرات البورات ، الأحماض الدهنية ، الأميدات الدهنية ، الأمينات الدهنية ، الدهون الكبريتية ، إلخ) والبوليمر (الميثاكريلات ، البوليستر ، البولي إيثرات ، البولي أميدات ، الزيوت النباتية المبلمرة ، إلخ). الميزة الرئيسية لأنظمة الجسيمات هي في استقرارها الكيميائي العالي نسبيا ، في حين أن عيبها الرئيسي هو الميل إلى الفصل. تميل أنظمة الجسيمات إلى جعل تركيبة زيوت التشحيم معتمة في المظهر ، وهو أمر غير مقبول دائما. يتم استخدام نظام تعديل احتكاك الجسيمات ، على سبيل المثال ، في حزمة إضافات زيت المحرك Lubrizol 21307. أنظمة تشكيل طبقة الامتزاز عديدة: هناك المئات من المنتجات التجارية في السوق.

الفرق الرئيسي بين معدلات الاحتكاك أحادية الجزيء والبوليمرية هو انضغاط الطبقات الممتزة. في حين أن OFMs أحادية الجزيء تميل إلى إنتاج طبقات جزيئية كثيفة "تشبه الفرشاة" ، فإن OFMs البوليمرية تنتج طبقات امتصاص "تشبه الهلام". تسبب هذه الطبقات تنافرا بين الأسطح - بنفس الطريقة التي تفعل بها المشتتات البوليمرية - مما يساهم في ما يسمى بتأثير "التشحيم الفائق": فهي تميل إلى تحويل منحنى Stribeck إلى اليسار عن طريق توسيع نطاق تزييت الفيلم الكامل نحو أحمال أعلى [2،16]. ومع ذلك ، فإنها لا تقلل بالضرورة من الاحتكاك في نظام تزييت الفيلم الكامل.

يبدو أن الهياكل الشبيهة بالفرشاة المعبأة بكثافة تقدم أفضل تأثير لتقليل الاحتكاك في اختبارات الحفارات المعملية ، مثل HFRR و pin-on-disk و Cameron-Plint و MTM وما إلى ذلك. من ناحية أخرى ، فهي أكثر عرضة لإزاحة الأنواع النشطة السطحية الأخرى بسبب الامتزاز التنافسي. على سبيل المثال ، قد يحل أحادي أوليات الغليسيريل محل فوسفوروثيوات الموليبدينوم بشكل فعال من السطح. للسبب نفسه ، تفقد إضافات الموليبدينوم كفاءتها عند نشرها مع بعض زيوت قاعدة الإستر.

قد تجمع الأنظمة المختلطة بين التشحيم الفائق والتشحيم الحدودي. على سبيل المثال ، يحتوي الزيت النباتي المبلمر عادة على كميات صغيرة من الأحماض الدهنية واسترات الجلسرين الجزئية. توفر الجزيئات البوليمرية تنافرا ستيريا بين أسطح الاحتكاك ، بينما تعزز الأحماض الدهنية واسترات الجلسرين الجزئية التشحيم الحدودي [17]. تعرض العديد من أنظمة OFMs التجارية نفس الخاصية (على سبيل المثال ، Perfad 3000 من Croda). يمكن محاكاة هذا النوع من السلوك بسهولة في الاختبارات المعملية من خلال الجمع بين محسنات VI الشائعة ، مثل PIB أو البوليسترين ، مع أحادي أوليات الجلسرين أو أحادي الأوليات سوربيتان.

Surface Gel تشكيل OFMs أقل عرضة للانخراط في الامتزاز التنافسي نظرا لأن لديهم عدد أقل من "المراسي" لكل وحدة مساحة. هذا يسمح للمرء بتطوير تركيبات تجمع بين خصائص الضغط الشديد المواتية مع تأثير "التشحيم الفائق" ؛ انظر ، على سبيل المثال ، الشكل 8 [18].

يمكن تجربة تأثير التشحيم الفائق المماثل أثناء المشي على الصخور الزلقة لشاطئ البحر. يحتفظ الوحل الطحلب الذي ينمو على الصخور بطبقة سميكة بما فيه الكفاية من الماء ، والتي تعمل كمواد تشحيم بين قدميك وسطح الصخور. بدون هذا الوحل ، لن تكون قوة فيلم الماء كافية لدعم قدميك. طبقات الامتزاز التي تشكلها إضافات التشحيم الفائقة المكونة للهلام السطحي هي لزجة مرنة (أو بلاستيكية زائفة) ولها تأثير ترايبولوجي مفيد لأنها تقلل من الاحتكاك والتآكل ، فضلا عن تبديد الطاقة المرتبط بها وإثارة الضوضاء. كما أنها تساعد على إذابة الجسيمات من خلال العمل كمشتتات بوليمرية. يمكن قياس قوة الفصل بين سطحين في وجود مثل هذه المواد المضافة مباشرة باستخدام مجهر القوة الذرية ، الشكل 9 [13]

الشكل 8 نظام معدل الاحتكاك التآزري الذي يحتوي على معدل احتكاك بوليمري ومضاف مولي [18]

الشكل 9 قياسات AFM توضح قوة التنافر الناتجة عن طبقة الهلام السطحية المكونة من مادة مضافة فائقة التشحيم للبوليمر المشترك نشطة على السطح [13]

معدلات الاحتكاك غير العضوية القابلة للذوبان في الزيت ، مثل الموليبدينوم ثنائي (2-إيثيل هكسيل) فوسفوروديثيوات ، أميدات دهنية من أحماض الموليبديك والتنغستيك ، الأنتيمون ديالكيل فوسفوروديثيوات ، استرات البورات قد تعمل بطريقتين مختلفتين: أولا ، تعمل عن طريق الامتزاز - وعادة ما يكون تقاربها مع الأسطح المعدنية أعلى من OFMs. ثانيا ، يمكن أن تخضع للطفرة الثلاثية تحت ضغط شديد و / أو ظروف القص ، مما يؤدي إلى ترسب طبقات التشحيم الصلبة عند أسطح الاحتكاك الملامسة. وبالتالي ، يتم تحويل مشتقات الموليبدينوم إلى MoS2 ، التنغستن - إلى WS2 ، البورات - إلى حمض البوريك ، إلخ. من خلال القيام بذلك ، تلعب معدلات الاحتكاك غير العضوية دورا أساسيا في عملية التشغيل [19]. تعمل هذه الخاصية أيضا كأساس لإنهاء الأسطح الميكانيكية الكيميائية [20] وتؤدي إلى تقليل الاحتكاك والتآكل ، انظر الشكل 10.

الشكل 10 تأثير ZDDP ومعدلات الاحتكاك غير العضوية على احتكاك مجموعة الصمامات (بعد Ashworth et al. [21])

تأثير زيت المحرك على احتكاك المحرك لتصميمات المحرك المختلفة

كما سبق ذكره في المقدمة ، فإن التغيير إلى مادة تشحيم منخفضة اللزوجة يساعد على تقليل احتكاك المحرك. أفضل طريقة لتوضيح ذلك هي استخدام منصات المحركات الآلية [4،13]. توضح الأشكال 11-13 بيانات عزم دوران الاحتكاك لمحركين مختلفين للبنزين. تم استخدام محركات i4 المستخدمة ولكن الوظيفية لبناء الحفارات. تم تشغيل الحفارات بدون ضغط ، باستخدام مضخة زيت كهربائية خارجية بدون نبض لتزويد النفط. أيضا ، تم استخدام عجلة ذبابة ثقيلة لتقليل ضوضاء البيانات. كان الاختلاف الرئيسي بين المحركات هو سطح تجويف الأسطوانة: الحديد الزهر المصقول مقابل الرش الحراري ، ونوع قطار الصمام: الجرافة الميكانيكية ذات التأثير المباشر (DAMB) مقابل أتباع إصبع الأسطوانة (RFF).

الشكل 11 يوضح تأثير درجة حرارة الزيت على احتكاك المحرك. كما هو متوقع ، يرتبط انخفاض درجة حرارة الزيت باحتكاك أعلى. بالنسبة لتصميم المحرك الأقدم (المحرك أ: Ford Duratec) باستخدام تجاويف أسطوانات الحديد الزهر التقليدية ومجموعة صمامات DAMB ، هناك زيادة طفيفة في الاحتكاك في نهاية عدد الدورات في الدقيقة المنخفضة: يمكن أن يعزى ذلك إلى انهيار فيلم زيوت التشحيم الهيدروديناميكي والاحتكاك الحدودي المفرط في مجموعة الصمامات والمجموعة الترددية. بالنسبة لتصميم المحرك الأحدث (المحرك B: Mercedes Benz M133) مع تجاويف مطلية بالرش وصمام RFF ، يعتمد عزم الاحتكاك خطيا تقريبا على سرعة المحرك. هذا يدل على أن التصميم الجديد يسمح للمرء بتجنب الاحتكاك الحدودي بشكل فعال.

الشكل 12 يوضح تأثير درجة لزوجة الزيت عند درجة حرارة العمل 90 درجة مئوية. يسمح الانتقال من فئة SAE 10W-40 القديمة إلى 0W-16 بتقليل احتكاك المحرك بمقدار الضعف تقريبا عند عدد دورات عالية في الدقيقة. ومع ذلك ، يصبح التأثير أصغر تدريجيا عند الانتقال إلى عدد دورات أقل في الدقيقة. من المثير للاهتمام أنه بالنسبة للمحرك الأقدم ، فإن الزيت الأقل لزوجة يعطي أعلى احتكاك في نهاية عدد الدورات في الدقيقة المنخفضة. مرة أخرى ، يظهر هذا أن انهيار طبقة زيوت التشحيم الهيدروديناميكية قد يكون مشكلة حقيقية.

أخيرا، يوضح الشكل 13 كيف يستجيب احتكاك المحرك لاستخدام معدل الاحتكاك في تركيبة زيوت التشحيم. يمكن للمرء أن يرى أن المحرك المزود بصمام DAMB وتجاويف أسطوانات الحديد الزهر التقليدية يكتسب فائدة أكبر من نشر معدلات الاحتكاك أكثر من المحرك المزود بصمام RFF وتجاويف الرش الحراري. هذا يدل على أن نشر معدلات الاحتكاك لا يكون منطقيا إلا عندما تكون هناك مساهمة كبيرة للاحتكاك الحدودي في إجمالي فقد الطاقة.

الشكل 11 تأثير درجة حرارة الزيت على احتكاك المحرك: l.h.s. - المحرك A, r.h.s. - المحرك B.

الشكل 12 تأثير درجة لزوجة الزيت على احتكاك المحرك عند 90 درجة مئوية: l.h.s. - المحرك A, r.h.s. - المحرك B.

الشكل 13 تأثير معدل احتكاك الموليبدينوم على احتكاك المحرك: l.h.s. - المحرك A, r.h.s. - المحرك B.

من المهم أن نفهم أن معدلات الاحتكاك المختلفة قد تتنافس مع بعضها البعض على مواقع السطح الشاغرة ، وقد تتنافس أيضا مع فئة مهمة أخرى من المواد المضافة الموجودة دائما في تركيبات زيوت التشحيم في علبة المرافق - المنظفات [22]. ونتيجة لذلك، فإن تركيبتين زيتيتين مختلفتين لهما نفس خصائص قياس اللزوجة تماما قد لا يزالان يتمتعان باقتصاد مختلف في استهلاك الوقود، على الرغم من أن الاختلافات لا تكاد تتجاوز 1 في المائة.

بعض الأفكار المتعلقة بمجموعات نقل الحركة الهجينة

تجلب مجموعات نقل الحركة الهجينة تحديات جديدة لصانعي الزيت: نظرا لأن محرك ICE لا يعمل بشكل دائم أثناء استخدام السيارة ، فقد يفشل في الوصول إلى درجة حرارة العمل. هذا يخلق ظروفا لتكثيف المياه على جدران أسطوانة الطاقة ، يليه تراكم المياه في علبة المرافق. نظرا لأن OFMs نشطة على السطح ، فإنها تساعد على إذابة الماء ودفعه بعيدا عن علبة المرافق. يجب أن تقوم إلكترونيات التحكم في مجموعة نقل الحركة بإشراك ICE على فترات لتسخين الزيت وتبخير الماء الزائد.

الجوانب المهمة الأخرى التي تجعل OFMs مهمة جدا لزيوت المحركات للسيارات الهجينة هي توفير الوقود الإضافي. تميل السيارات الهجينة إلى استخدام مواد تشحيم منخفضة اللزوجة ومنخفضة للغاية: من 0W-20 (فولفو ، مرسيدس) وصولا إلى 0W-8 (هوندا). لزوجة الزيت لها تأثير مهيمن على الاقتصاد في استهلاك الوقود في حد الحمل العالي السرعة والمنخفض. ومع ذلك ، فإن نظام التشغيل هذا غير مهم نسبيا في الحياة الواقعية. من ناحية أخرى ، تساعد OFMs على تحسين الاقتصاد في استهلاك الوقود في حد الحمل المنخفض السرعة والعالي الذي يقع بالقرب من بقعة المحرك الحلوة وهو الأكثر إثارة للاهتمام من الناحية العملية. إلى جانب ذلك ، تساعد OFMs في تقليل الاعتماد على معدلات الاحتكاك غير العضوية التي قد تكون ضارة بمعدات التحكم في العادم. يوضح الشكل 14 أن معدلات الاحتكاك العضوية يمكن أن تتنافس بنجاح مع MoDTC من حيث تأثير تقليل الاحتكاك.

Fig.14 بيانات اختبار MTM تقارن اثنين من معدلات الاحتكاك العضوي التجاري مع MoDTC في زيت الأساس PAO. تم استخدام شروط الاختبار التالية: SRR 50٪ ، تحميل 36N ، درجة الحرارة 100 س C.

أخيرا وليس آخرا: تعمل OFMs البوليمرية بشكل جيد مع زيوت البولي إيثر القابلة للذوبان في الزيت (OSP) وزيوت قاعدة الإستر التي تستخدم غالبا في مواد التشحيم ذات اللزوجة المنخفضة للغاية (درجات 0W-8 و 0W-12) ، في حين أن إضافات الموليبدينوم تكون أقل كفاءة في هذه الحالة.

في اليابان ، بدأ الانتقال إلى زيت SAE 0W-20 بالفعل حوالي عام 1980 ، وتم تقديم أول منتج يشبه SAE 0W-16 (لم تكن هناك تسميات J300 لدرجات اللزوجة الفرعية SAE 20 في ذلك الوقت) في عام 2010. في الوقت الحاضر ، تروج هوندا وتويوتا بنشاط لتقنية SAE 0W-8 التي تحقق تحسنا بنسبة 3-4٪ في الاقتصاد في استهلاك الوقود مقارنة ب SAE 0W-20. تم تطوير اختبار الاقتصاد في استهلاك الوقود الجديد من JASO ومن المحتمل أن يحل محل Sequence VIF الحالي في مواصفات ILSAC GF-7 المستقبلية. تم الانتهاء من تطوير المعيار الجديد - المعروف باسم JASO M364: 2019 - ومواصفات الزيت - JASO GLV-1 - في عام 2019 [23]. لاختبار الاقتصاد في استهلاك الوقود ، يمكن استخدام محرك Toyota 2ZR-FXE سعة 1.8 لتر أو محرك Nissan MR20DD سعة 2.0 لتر. حدود الاقتصاد في استهلاك الوقود المقترحة لمواصفات JASO GLV-1 الجديدة هي >1.1٪ (إطلاق النار) و >2.0٪ (المحرك) مقارنة بالزيت المرجعي SAE 0W-16. من غير المحتمل أن يأتي ILSAC GF-7 قبل عام 2025 - إذا حدث ذلك على الإطلاق ، مع مراعاة جميع العقبات والتأخيرات والتكلفة الباهظة والفائدة المحدودة لفئة ILSAC GF-6.

ملاحظات ختامية

زيت المحرك هو عنصر مهم في تطوير مجموعات نقل الحركة منخفضة الاحتكاك. يعد التحول إلى زيت المحرك منخفض اللزوجة طريقة فعالة لتقليل خسائر الاحتكاك في محركات الاحتراق الداخلي. ومع ذلك ، يميل الزيت منخفض اللزوجة إلى الإضرار بحماية التآكل مما يستلزم نشر معدلات الاحتكاك والمواد المضافة المضادة للتآكل في تركيبات زيوت التشحيم في علبة المرافق. جنبا إلى جنب مع اعتماد أوسع للزيوت الأساسية الاصطناعية ، من المتوقع أن تلعب معدلات الاحتكاك دورا متزايد الأهمية في المستقبل.

تضارب المصالح

يعلن المؤلفون أن البحث قد أجري في غياب أي علاقات تجارية أو مالية يمكن تفسيرها على أنها تضارب محتمل في المصالح.

مساهمات المؤلف

بوريس زمود يقف وراء فكرة المقالة العامة وبيانات البحث. ساهم آرثر كوين وكريمة زيتوني في القسم الخاص باستخدام فئات مختلفة من معدلات الاحتكاك.

شكر وتقدير

تم شكر روبرت إيان تايلور على المناقشة والتعليقات الملهمة فيما يتعلق باختبارات احتكاك المحرك الآلي. تم شكر Peter Klejwegt على مشاركة تجربته مع زيت المحرك الاقتصادي للوقود للتطبيقات الشاقة.

مراجع

1. K. هولمبرغ ، ب. أندرسون ، أ. إرديمير. استهلاك الطاقة العالمي بسبب الاحتكاك في سيارات الركاب. علم الترايبولوجيا الدولية ، 47 (2012) 221.
2. B. Zhmud ، تطوير مواد التشحيم والطلاء الموفرة للطاقة لتطبيقات السيارات ، علم الترايبولوجيا وتكنولوجيا التشحيم 67 (9) (2011) 42.
3. B. Zhmud ، السعي لتحسين الاقتصاد في استهلاك الوقود: يساعد تقليل احتكاك المحرك على زيادة الأميال للغالون الواحد إلى الحد الأقصى ، مكون السيارة 5 (2012) 18.
4. R.I. تايلور ، إن مورغان ، آر ماينوارينج ، تي دافنبورت ، ما مقدار الاحتكاك المختلط / الحدودي الموجود في المحرك - وأين هو؟ بروك IMechE الجزء J: J. علم الترايبولوجيا الهندسية 234 (2020) 1563.
5. B. Zhmud ، علم ترايبولوجيا المحرك: طريقة شائكة من المختبر إلى الحقل ، Lube 154 (2019) 20.
6. R.I. تايلور ، آر سي. كوي ، تحسين كفاءة استهلاك الوقود من خلال تصميم زيوت التشحيم: مراجعة ، Proc. معاهد. الميكانيكيه. المهندس. 214 (1999) 1.
7. B. Tatievski، B. Zhmud، "زيوت محركات الاقتصاد في استهلاك الوقود: الأساس المنطقي العلمي والخلافات"، في Proc. الندوة الدولية العشرون لعلم الترايبولوجيا، شتوتغارت، ألمانيا، 12-14 يناير 2016.
8. D.E. ساندر ، إتش ألماير ، سي كنودر ، إف سترومستيدت ، إمكانات ومخاطر تقليل الاحتكاك بزيوت المحركات منخفضة اللزوجة في المستقبل. MTZ في جميع أنحاء العالم 79 (2018) 21.
9. P. Kleijwegt، R. ter Rele، M. Sabater Ferret، R. van den Bulk، "مواصفات زيت المحرك العالمي للخدمة الشاقة وتأثيرها على زيوت التشحيم الحالية والجيل التالي" Benelux Smeermiddelen Congres، Retie، بلجيكا، 26 سبتمبر 2019.
10. G. ليخنر ، أ. كنفل ، د. أسانيس ، س. تسيريجونيس ، م. ماكميلان ، س. تونغ ، ب. مولاوا ، إي بارداس ، س. كاولينج ، تأثيرات زيت المحرك على الاحتكاك والانبعاثات لمحرك ديزل خفيف سعة 2.2 لتر يعمل بالحقن المباشر ، الجزء 1 - نتائج اختبار المحرك. الأوراق الفنية SAE 2002-01-2681.
11. S. Tung، M. McMillan، G. Hong، E. Bardasz، تأثيرات زيت المحرك على الاحتكاك والتآكل باستخدام مكونات محرك الديزل بالحقن المباشر سعة 2.2 لتر لاختبار مقاعد البدلاء، الجزء 2: نتائج اختبار مقاعد البدلاء Tribology وتحليلات السطح. الأوراق الفنية SAE 2004-01-2005.
12. B. Zhmud، E. Tomanik، "تحسين المكبس / تجويف Tribology: دور مواصفات السطح ، حزمة الحلقة ، ومواد التشحيم." الندوة الدولية لعلم الترايبولوجيا، إسلينجن، ألمانيا، 28-30 يناير 2020.
13. B. Zhmud، B. Tatievski، "التحضير ل ILSAC GF-6: مزايا زيوت المحركات الاصطناعية الكاملة لتعزيز الاقتصاد في استهلاك الوقود ". المؤتمر العالمي لعلم الترايبولوجيا، بكين، الصين، سبتمبر. 17-22, 2017.
14. B. Zhmud ، "التطورات الحالية في زيوت علبة المرافق". القمة الأوروبية للزيوت الأساسية ومواد التشحيم، روتردام، هولندا، 20-21 نوفمبر 2019.
15. H. المسامير ، إضافات معدل الاحتكاك ، Trib. ليت. 60 (2015) 5.
16. B. Zhmud، M. Roegiers، الزيوت الأساسية الجديدة تشكل تحديا للذوبان والتشحيم ، علم الترايبولوجيا وتكنولوجيا التشحيم 65 (7) (2009) 34.
17. M. Roegiers، B. Zhmud، الأداء القبلي للزيوت النباتية المتأينة كإضافات زيوت التشحيم والزيوت الدهنية في مواد التشحيم والوقود، علوم التشحيم 21 (2009) 169.
18. M.C. ساوثبي ، إتش جاو ، سي تشين ، سي إيه تشين ، بي إل بارك ، تكوين التشحيم ، 2015193395 براءة اختراع WO ، 23 ديسمبر 2015.
19. S. Li، R. Zhang، Y. Jin، Y. Wang، S. Tung، الكربنة الثلاثية لزيت محرك اصطناعي في حلقة المكبس المشحم / الأسطوانة التي تتحمل ملامسة منزلقة وعلاقتها بالاحتكاك والتآكل. مجلة التشحيم الاصطناعي 20 (2003) 203.
20. B. Zhmud ، "تشغيل مكونات المحرك في التصنيع باستخدام عملية Tribocondition®" ، في M. عبد الوهاب (محرر): FFW 2018 ، LNME ، ص 671-681 ، 2019.
21. S. أشوورث ، ك. ميستري ، أ. مورينا ، أ. نيفيل ، مقياس ثلاثي الكامة واحد لتقييم المعلمات القبلية والكيمياء الثلاثية لأتباع قطار الصمام المطلي DLC. Tribology - المواد والأسطح والواجهات ، 6 (2012) 31.
22. S. Li، R. Zhang، Y. Jin، Y. Wang، S. Tung، التفاعلات السطحية التنافسية للمواد المضافة الحرجة مع مكونات حلقة المكبس/بطانة الأسطوانة في ظل ظروف التكسير المشحم. معاملات علم الترايبولوجيا 46 (2003) 200.
23. S. Yoshida، K. Yamamori، S. Hirano، T. Sagawa، et al.، تطوير مواصفات زيوت محركات البنزين منخفضة اللزوجة JASO GLV-1 من الجيل التالي. الورقة الفنية SAE 2020-01-1426