CC BY
31
Dr Radinko Gligorijević,
dipl. inž. Dr Jeremija Jevtić, dipl. inž. Mr Đuro Borak,
dipl. inž.
IMR-Institut,
Beograd
KVALITET BUDU]IH ULJA ZA MOTORE NISKIH EMISIJA
UDC: 621.434 : 621.892
Rezime:
U tekućoj dekadi ovog milenijuma proizvodaci motora moraju postići dvostruko sma-njenje potrosnje goriva, pa time i emisije CO2 i desetostruko smanjenje nivoa emisija, pre svega NOx i cestica. Za dostizanje tog cilja moraju se razviti nove specifikacije ulja, ciji do-prinos smanjenju potrosnje goriva i nivou stetnih emisija postaje sve varniji. Trend razvoja ulja kreće se u pravcu ni'ih viskoznih gradacija sa ni'im sadr'ajem sumpora, fosfora, sulfat-nogpepela i ni'om isparljivošću, cime se posti'e smanjenje emisije, kao i potrosnje goriva.
Kljucne reci: motori SUS, motorna ulja, emisije.
FUTURE LUBRICANTS QUALITY FOR LOW EMISSION ENGINES
Summary:
In the current decade of this millenium automobile manufacturers must achieve an additional twofold increase in fuel efficiency and a tenfold reduction of emission of CO2 and pollutants, especially NOx and particles. To achieve this goal, a new specification of engine lubricants, whose contribution to fuel efficiency and reduction of emissions cannot be neglected, is to be developed. Development trends in lubricants move towards low viscosity, low content of sulfur, phosphous, sulfate ash and low volatility, resulting in emission reduction and increase of fuel efficiency.
Key words: engines, engine lubricants, emissions.
Uvod
Smanjenje emisije {tetnih polutana-ta i CO2 kod motora lakih i te{kih vozila (automobila i kamiona) veliki je problem auto-industrije. Jedan od na~ina smanje-nja ove emisije jeste smanjenje potro{nje goriva na koju direktno uti~e potro{nja ulja. Zbog toga je veoma bitno povećati kvalitet ulja koje može obezbediti maksi-malnu ekonomi~nost potro{nje goriva i veći interval zamene ulja.
Duži interval zamene ulja vrlo je va-žan kod dugolinijskih kamiona te{ka{a
({lepera), jer smanjuje tro{kove za ulje, filtere, organizaciju ~uvanja rezervi i dr. Mada su finansijske u{tede zbog dužeg intervala zamene motornog ulja znatne, smanjenje potro{nje goriva donosi veće u{tede, jer je cena goriva, naro~ito u ka-mionskom prevozu, zna~ajnija stavka od cene ulja, s obzirom na to da njihovi di-zel motori rade dugi period pod visokim opterećenjem. Neka istraživanja [1-3] na te{kim dizel motorima ukazuju da kori-{ćenje sinteti~kog motornog ulja SAE 5W40, umesto „konvencionalnog mine-ralnog ulja“ ili mineralnog baznog ulja „premium“ 15W40, može doneti u{tedu
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2004.
75
goriva od 3%. Podaci kompanije MAN ukazuju na mogu}u u{tedu od 2%, dok podaci Forda (za Mondeo 1,8 l) ukazuju na u{tedu od 0,6% pri kori{}enju ulja 5W20 umesto ulja 5W30 [4]. Svaka uste-da goriva donosi i smanjenje {tetnih emi-sija i emisije CO2. ACE A specifikacije A4, B4 i E4 definisu zahteve za ulja ben-zinskih i dizel motora u pogledu ekono-mi~nosti potro{nje goriva.
Dakle, pored svih drugih zahteva, od motornih ulja se zahteva smanjenje emisije CO2 emisije izduvnih gasova, pre svih emisije NOx, i emisije ~estica i eliminacija njihovog {tetnog uticaja na kataliti~ke konvertore i senzore u izduv-nom sistemu.
Konvencionalna mineralna bazna ulja naj~e{}e se dele prema stepenu zasi-}enja, sadržaju sumpora i viskozi tetnog indeksa i, prema API, svrstavaju se u ~e-tiri grupe (tabela 1).
Tabela 1
API kategorizacija baznih ulja
Grupa Sadržaj S-a (%) Zasićenje (%) V. I. Noack %
I > 0,03 < 90 80-120 30
II < 0,03 < 90 80-120 25
III < 0,03 < 90 >120 11
IV Svi polialfaolefini (PAO) 11
V Ostala koja nisu ukljucena u grupe I-IV <11
Konvencionalna mineralna bazna ulja iz grupe I imaju prili~no visok sadr-žaj sumpora i aromata (do 25%) i nivo zasi}enja preko 75% (slika 1). Sa slike 1 vidi se da ulja iz grupe II imaju znatno manji sadržaj aromata (1%) u odnosu na ulja iz grupe I.
Sve rigorozniji zahtevi u pogledu radnih uslova i smanjenja emisije, doveli su do ekspanzije sinteti~kih motornih ulja ~ije su prednosti u odnosu na mineralna ulja slede}e:
Sl. 1 — Karakteristike ulja grupe I i IIprema API 5°
- veoma dobre reolo{ke karakteristike, kako na niskim, tako i na visokim temperaturama;
- ispunjavaju dva kontradiktorna zah-teva - nizak viskozitet i mala isparljivost;
- veoma visoka otpornost na prekid uljnog filma;
- bolja antihabaju}a i antizaribava-ju}a svojstva;
- dobra disperziona svojstva;
- smanjenje potro{nje goriva i ulja,
- produženje perioda zamene;
- visoka otpornost na oksidaciju;
- dobra biorazgradljivost - sinteti~-ka ulja koja sadrže estre su 75% biora-zgradiva, dok su mineralna ulja u najbo-ljem slu~aju 20% biorazgradiva;
- niska toksi~nost i manja koli~ina produkata sagorevanja (neka sinteti~ka ulja daju 10% manje azotovih oksida, 15% manje CO i 10% manje HC).
Na primer, sinteti~ko SAE 0W40 u odnosu na mineralno ulje SAE 15W40 smanjuje emisiju ~estica za oko 11%, a okside azota oko 5% [6]. Nasa ispitivanja [7] pokazuju sli~ne rezultate, s tim sto se emisija NOx smanjuje za oko 12%.
Glavni nedostatak nekih sinteti~kih ulja je njihova agresivnost na zaptivke izradene od materijala na bazi nitrila i akrila, kao i jo{ uvek visoka cena.
76
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2004.
Može se zakljuciti da će glavni trend u razvoju motornih ulja biti:
- kori{ćenje nižih viskozitetnih gra-dacija (5W30, 0W30, 0W20) koje sma-njuju potro{nju goriva, a time i emisiju HC, CO, NOx, cestica i CO2. Tako, na primer, pri kori{ćenju ulja 5W30, umesto 20W30, potro{nja goriva može se sma-njiti do 3% [8]. U proteklim dekadama trend je bio 20W50 ^ 15W40 ^ 10W40;
- pobolj{anje temperaturne (oksida-cione) stabilnosti, {to znaci smanjenje obrazovanja depozita, a time i smanjenje habanja klipnog sklopa i razvodnog me-hanizma;
- produženje perioda zamene ulja (50 000 km za putnicka vozila i vi{e od 200 000 km za te{ke kamione);
- smanjenje isparljivosti, {to je veo-ma bitno zbog smanjenja emisije cestica. Tako, na primer, ulje sa isparljivo{ću 20% ima 60% veću emisiju cestica od ulja cija je isparljivost 10%;
- visok indeks viskoziteta;
- nizak sadržaj sumpora (0,2%), sul-fatnog pepela (0,5%) i fosfora (0,05% );
- niske emisije i dobra biorazgradi-
vost.
može zanemariti, narocito kada se sadržaj sumpora u gorivu drasticno smanjuje: od 2000 ppm do 2000. godine na sada važe-ćem limitu od 350 ppm, do 10 ppm u 2008. godini (slika 2). Dakle, kako se za-konskim propisima sadržaj NOx i cestica smanjuje tako se i kvalitet ulja povećava. Uticaj ulja na emisiju motora zavisi od fi-zicko-hemijskih karakteristika ulja od ko-jih su najvažnije sadržaj sumpora, sulfat-nog pepela, aromata i isparljivost.
Treba istaći da ACEA, u odnosu na API, defmi{e sledeće kategorije ulja:
- A1-96, A2-96, A3-96, A4-98, A5-02
- za benzinske motore,
- B1-96, B2-96, B3-96, B4-98, B5-02
- za lake dizel motore,
- E1-96, E2-96, E3-96, E4-98, E5-02
- za te{ke dizel motore.
Jedan od nacina za smanjenje izduv-nih emisija NOx, HC i cestica pri radu motora jeste ne samo smanjenje potro-{nje goriva već i smanjenje potro{nje ulja. Ispitivanja [8-12] pokazuju da ulje znatno utice na ukupnu emisiju cestica, {to prikazuje slika 3. Kao {to se uocava sa slike 3, cestice u izduvnoj emisiji dizel motora nastaju sagorevanjem i isparava-njem goriva (66%) i sagorevanjem i ispa-ravanjem ulja (34%).
Uticaj ulja na emisiju motora
Do pre ne{to vi{e od jedne decenije potro{nja ulja u motorima bila je, zbog ekonomskih i komercijalnih razloga, uglavnom briga proizvodaca motora, ra-finerija ulja i proizvodaca aditiva.
Sve stroži zakonski propisi o za{titi životne sredine, a pre svega o smanjenju emisije NOx i cestica dizel motora, fokusi-rali su pažnju na smanjenje potro{nje ulja, ciji doprinos ukupnoj emisiji cestica se ne
Sl. 2 — Povećanje kvaliteta ulja sa smanjenjem granica emisije a9°
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 1/2004.
77
Sl. 3 — Udeo pojedinih frakcija u emisiji cestica pri radu jednog te{kog dizel motora a110
Frakcije cestica se, prema rastvorlji-vosti, mogu podeliti na:
- organski nerastvorljive (INSOLF), koje čine 61% u ukupnoj masi cestica;
- organski rastvorljive (SOF), ciji je udeo u ukupnoj masti cestica oko 39%.
Organski rastvorljive frakcije sasto-je se od visokomolekularnih jedinjenja (>C14) koje poticu od nesagorelog gori-va i ulja za podmazivanje.
Organski nerastvorljive frakcije sa-cinjavaju cađ i manji sadržaj metala i sul-fati sa vezanom vodom.
Organski nerastvorljive frakcije ko-je poticu od ulja iznose oko 5%, sto pri-bližno odgovara 0,027 g/kWh. Znatno veći udeo ulja nalazi se u organski ras-tvorljivim cesticama - oko 29%, dok je za iste te frakcije udeo goriva oko 10%. Ako se posmatraju samo organski rastvorljive frakcije onda je udeo ulja zna-tan - preko 70%.
Na nivo emisije cestica pri radu di-zel motora uticu fizicko-hemijske karak-teristike goriva i ulja, konstruktivne ka-rakteristike motora, radni uslovi motora i potrosnja goriva i ulja. Cestice od ulja poticu sa zidova cilindara motora i zbog propustanja na vođicama ventila.
Pri radu motora dolazi do prodiranja ulja u cilindar. Deo ulja ne sagori, sto ta-kođe doprinosi emisiji cestica. Za sma-njenje SOF frakcije u cesticama veoma je bitno smanjiti potrosnju ulja u motoru, a ona zavisi od konstrukcije motora, od radnih uslova i od kvaliteta ulja. Potro-snja ulja kamionskih dizel motora kreće se od 6 g/h, pri lakim uslovima rada i ni-skom broju obrtaja, do 230 g/h, pri pu-nom opterećenju i nominalnom broju obrtaja. U odnosu na potrosnju goriva potrosnja ulja se kreće od 0,1 do 0,4%.
Buduća motorna ulja
Sadasnji zakonski propisi o emisija-ma lakih i teskih vozila sa benzinskim i dizel motorima su umereni u odnosu na predložene - Euro IV i Euro V (slika 4), kao i EPA 04 i EPA 07 (slika 5). Tako strogi zahtevi mogu se ispuniti primenom novih automobilskih tehnologija i kvali-
Sl. 4 — Euro IV i Euro V — propisi za emisije koje nastaju pri radu te{kih dizel motora
78
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 1/2004.
N0*, ^misijU (^KSh)
Sl. 5 — US-EPA — propisi za emisije koje nastaju pri radu te{kih dizel motora
tetnijih goriva i ulja, što ukazuje na to da industrija motora i industrija nafte mora-ju zajedni~ki raditi radi dostizanja posta-vljenih granica emisija.
Kao što je poznato, pri radu benzin-skih motora emisiona ograni~enja postižu se konstrukcionim modifikacijama, kroz sofisticiranu elektronsku kontrolu rada i korišćenjem kataliti~kih konventora. Proi-zvoda~i motora i vozila nastoje da cena proizvoda bude što manja, pa produžava-ju vek konvertora. To otvara pitanje uti-caja pojedinih komponenata iz motornog ulja na obrazovanje emisija kao i na traj-nost kataliti~kih konventora, što je rezul-tiralo u nacrtu specifikacije ILSAC GF-4 koja ograni~ava sadržaj fosfora i sumpo-ra u ulju.
Laki dizel motori su dosadašnja emisiona ograni~enja postizali no vim tehnološkim modifikacijama, uklju~ujući direktno ubrizgavanje, common rail i recirkulaciju izduvnih gasova. Smatra se da ovi motori neće moći da ispune budu-će propise bez korišćenja emisionih kon-trolnih sistema, uklju~ujući dizel oksida-cione katalizatore za NOx i filtere za dizel ~estice. To zna~i da buduća ulja moraju imati redukujući uticaj na emisije i emi-sione kontrolne sisteme koji moraju do-bro funkcionisati u toku celog veka motora ili u toku predenih 250000 do
300 000 km. Ovi zahtevi uticaće na for-mulisanje budućih motornih ulja benzin-skih i dizel motora, i odnose se, pre sve-ga, na: sadržaj sumpora, sadržaj fosfora, sadržaj sulfatnog pepela, sadržaj aroma-ta, isparljivost i viskozitet.
U tabeli 2 prikazan je sadržaj sumpora (mas.), fosfora, sulfatnog pepela i hlora kod nekoliko tipi~nih sadašnjih ko-mercijalnih motornih ulja za benzinske i dizel motore putni~kih automobila.
Tabela 2
Karakteristike na triistu najzastupljenijih ulja za benzinske i dizel motore
Tip ulja Sumpor ( % ) Sulfatni pepeo ( % ) Hlor (ppm ) Fosfor ( % )
BP Visco 7000 0,33 1,1 199 0,10 limit prema ILSAC GF- 2, GF - 3, AP SJ, SL spec.
Castrol SLX 0,32 1,0 <10
Esso Ultron 0,32 1,4 55
Mobil 1 0,10 1,1 116
Shell Helix Ultra 0,26 1,3 11
Texaco Havoline F3 Energy 0,36 - -
Total Quartz 9000 0,54 1,5 260
Sumpor u uljima
Poznato je da je sumpor inhibitor performansi katalizatora zbog ja~e ab-sorpcije, i da se „bori“ sa štetnim gasovi-ma za mesto na površini katalizatora. Ni-vo sumpora u gorivu vrlo je važan faktor za buduća ulja, jer kako se njegov nivo u gorivu smanjuje tako sumpor iz ulja ima sve veći uticaj.
Budući propisi o emisijama motornih vozila imaće bitan uticaj na sastav budućih ulja za benzinske i dizel motore putni~kih automobila. Slika 6 ilustruje sastav sadašnjih u odnosu na buduća ulja za benzinske i dizel motore putni~kih automobila.
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2004.
79
Sl. 6 — Sastav sadašnjih komercijalnik ulja u odnosu na buduća ulja za benzinske i dizel
motore putni~kih automobila
Nedavni predlog specifikacije GF-4 daje granicu sumpora u ulju od 0,5%. Me-dutim ima mi{ljenja da bi sadržaj sumpora trebalo ograniciti na 0,2%. Za jedan sa-svremeni tipicni putnicki automobil sa po-tro{njom ulja od 40 do 50 g /1000 km, ko-ji koristi gorivo sa 30 ppm sumpora, znaci da će uce{će sumpora iz ulja biti oko 10% u ukupnoj kolicini sumpora u izduvnom sistemu. Sumpor u motornim uljima poti-ce, uglavnom, iz: baznog ulja, cinkdial-kilditiofosfata (ZnDTP) - antihabajući aditiv, deterdženata na bazi metala, neor-ganskih modifikatora trenja i nekih inhibi-tora
Udeo pojedinih izvora sumpora u ulju prikazan je na slici 7, a tabela 3 pri-kazuje procentualni doprinos pojedinih komponenata ulja ukupnom sumporu u ulju sastava A i B.
Kao {to se vidi iz tabele 2, sadržaj sumpora se u sada{njim komercijalnim uljima kreće od 0,1 do 0,6%, dok se iz tabele 3 vidi da su antihabajući aditivi glavni izvor sumpora.
U tabeli 4 prikazan je sastav nekog budućeg ulja X, pri cemu su fiksirani iz-
nos sulfatnog pepela u deterdžentu od 0,73% i fosfora u antihabajućem aditivu od 0,05%.
Tabela 3
Izvori sumpora, sulfatnog pepela i fosfora u motornim uljima
Ulje A A3 /B3,SJ / CF, 500 / 505, 229.1 Sumpor ( % ) Sulfatni pepeo ( % ) Fosfor (% )
Deterdžent 0,14 0,95 0,0
Antihabajući aditivi 0,20 0,13 0,10
Bazno ulje 0,41 0,0 0,0
Ukupno 0,75 1,08 0,10
Ulje B A3 / B3 / B4, SL / CF, 229.3 Sumpor ( % ) Sulfatni pepeo ( % ) Fosfor (% )
Deterdžent 0,14 1,14 0,0
Antihabajući aditivi 0,19 0,13 0,09
Bazno ulje 0,0 0,0 0,0
Ukupno 0,34 1,27 0,09
a14°
80
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 1/2004.
Tabela 4
Izvori sumpora, sulfatnogpepela i fosfora u budućim motornim uljima
Ulje X Sumpor ( % ) Sulfatni pepeo ( % ) Fosfor (% )
Deterdžent 0,0 - 0,40 0,73 0,0
Antihabajući aditivi 0,10 0,07 0,05
Bazno ulje 0,40 - 0,0 0,0 0,0
Ukupno 0,50 0,80 0,05
Kao sto su u proteklim dekadama zakonske regulative o emisijama bile generator novih tehnologija u industriji mo-tora i proizvodnji kvalitetnijih goriva i motornih ulja, tako }e i budu}e specifika-cije motornih ulja biti odre|ivane budu-}im emisionim regulativama.
Sulfatni pepeo u uljima
Kada pepeo koji potice iz ulja dospe u izduvni sistem on može obrazovati de-pozite u emisionim kontrolnim sistemima, smanjuju}i njihovu aktivnost ili ih cak blokirati. Narocito su filteri za cestice di-zel motora osetljivi na sulfatni pepeo.
Tipicne vrednosti sadržaja sulfatnog pepela sadasnjih najpoznatijih komerci-jalnih evropskih ulja za benzinske i dizel motore putnickih automobila kre}u se od 1 do 1,5% (tabela 2). U tabeli 4 prikazan je sadržaj sulfatnog pepela u budu}im motornim uljima.
Sulfatni pepeo u uljima (tabela 3) potice iz deterdženata na bazi metala, an-tihabaju}ih aditiva (ZnDTP) i drugih adi-tiva na bazi metala.
Deterdženti na bazi metala imaju vi-sestruku ulogu u ulju. Ne samo da ciste metalne povrsine, ve} i obezbe|uju neu-tralizaciju kiselina iz goriva i sprecavaju proces degradacije ulja. Tako, na primer, za novu „vectru“, Opel propisuje zamenu ulja na 300 000 km za benzinske
motore, a 50 000 km za dizel motore (ili dve godine), izuzev ako se godisnje prelazi manje od 5000 km, kada se zamena obavlja posle 12 meseci. Prema tome, smanjenje deterdženata na bazi metala nije lak zadatak, mada ima sugestija da bespepelni disperzanti mogu preuzeti ulogu deterdženata na bazi metala, ali ostaje problematicna njihova kompatibil-nost sa fluoroelastomernim zaptivkama. Peugeot S.A. u svoje putnicke automobile sa dizel motorima ugraluje filtere za cestice, i preporucuje da se ciste svakih 80 000 km. Takole, Peugeot preporucuje doziranje bespepelnih baznih aditiva u gorivu za olak-sanje regeneracije filtera za cestice. Bazira-no na 25 ppm koncentraciji metala u gorivu, korisćenje ulja sa 1,1 % sulfatnog pepela i pri potrosnji ulja od 0,15 kg/1000 km može se izracunati da se za pre|enih 80 000 km u filteru akumulira 230 g pepela.
Ako se predvidi cisćenje filtera na 160 000 km i dozvoli akumulirani pepeo u filteru od 200 g, onda bi prihvatljiv sa-držaj sulfatnog pepela bio 0,8 %. Ipak, ocekuje se da slede}a generacija specifi-kacije ACEA ogranici sulfatni pepeo na 0,5%. Posto smanjenje sadržaja sulfatnog pepela utice na produženje veka filtera, treba ograniciti i sadržaj pepela u gorivu. S obzirom na to da je potrosnja goriva hiljadu do dve hiljade puta ve}a od po-trosnje ulja, to znaci da i iznos sulfatnog pepela u gorivu treba da bude toliko puta manji, sto iznosi oko 2 mg/kg. Oceku-je se predlog da to bude 5 mg/kg, dok su sadasnje vrednosti u gorivu 100 mg/kg.
Fosfor u uljima
Fosfor je indiciran kao faktor koji utice na benzinske kataliticke konventore,
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 1/2004.
81
zbog formiranja staklastih depozita. Mada je {tetan uticaj na dizel oksidacione katali-zatore manji, specifikacije ulja u SAD obraćaju veliku pažnju na nivo fosfora u uljima. Tako, na primer, fosfor smanjuje efikasnost katalizatora za 15% do 30%.
Tipicna vrednost sadržaja fosfora u najrasprostranjenijim evropskim vrstama ulja za benzinske i dizel motore putnic-kih automobila iznosi 0,10% ( tabela 2), kako je to i limitirano specifikacijama ILSAC GF-2, GF-3 i API SJ i SL. Za bu-duća ulja (tabela 6 i 7) predvida se limit fosfora od 0,05% , kao {to je to i u nacrtu specifikacije ILSAC GF-4.
U motornim uljima fosfor potice iz antihabajućih i antioksidacionih aditiva a narocito iz ZnDTP koji je veoma važan sastojak ulja, tako da njegova zamena uop{te nije jednostavna. Glavni sastojci antihabajućih aditiva bez fosfora baziraju se na sumporu, njihova cena je vi{a nego ZnDTP, a efikasnost nižeg stepena. Mo-difikatori trenja omogućavaju da se ovi nedostaci prevazidu.
Hlor u uljima
Hlor u uljima nema funkcionalni znacaj. On se, uglavnom, pojavljuje kao katalizator u izvesnim starijim aditivima u procesu proizvodnje, dok ga novije teh-nologije ne koriste. Ako je hlor vezan u organskim molekulima, u procesu sago-revanja može dovesti do obrazovanja PCB i dioxina. Neki prozvodaci automobila propisiju maksimalni sadržaj hlora u preporucenim uljima. Iz tabele 2 vidi se da neka ulja, kao Castrol SLX i Shell Helix Ultra, sadrže vrlo male kolicine hlora, dok druga, kao Total i BP Visco, sadrže znatno veće kolicine hlora.
Aromati u uljima
Sa povećanjem sadržaja aromata, narocito policiklicnih (PAH), emisije ce-stica od ulja se povećavaju, jer dolazi do kondenzacije PAH na cesticama cadi, a sa starenjem ulja ova pojava se intenzivi-ra. Vrednosti PAH su oko dva puta veće kod motora sa indirektnim ubrizgava-njem nego kod motora sa direktnim ubri-zgavanjem. Dakle, aromati u ulju uticu na emisije koje nastaju pri radu dizel motora analogno uticaju aromata iz goriva, tj. povećanju emisije NOx, HC i cestica.
Aromati su odgovorni za degradaci-ju ulja usled oksidacije ciji rezultat je po-većanje viskoznosti, pa pobolj{anje oksidacione stabilnosti ulja zahteva smanje-nje sadržaja aromata.
Isparljivost ulja
Veoma važna karakteristika ulja, koja utice na emisiju cestica, jeste i isparljivost ulja ili Noack vrednost (slika 8). Ulje sa isparljivo{ću od 15% ima oko 50% veću emisiju cestica nego ulje sa is-parljivo{ću od 5%. Zbog toga Por{e za svoje automobilske motore propisuje ulja cija isparljivost mora biti ispod 12%, a ACEA propisuje limite za ulja u zavisno-
Sl. 8 — Uticaj isparljivosti ulja na emisiju cestica a15°
82
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 1/2004.
sti od viskozitetne gradacije i kvalitetnog nivoa. Na primer, vrednosti su:
A1-96 < 15% B1-96 < 13% E1-96 < 13% A2-96 < 13% B2-96 < 13% E2-96 < 13% A3-96 < 13% B3-96 < 13% E3-96 < 13%
Kao ACEA i API propisuje limite za isparljivost u zavisnosti od istih fakto-ra. Na primer:
API SH: SAE 10W30 - 20%, SAE 15W40 - 18%,
ILSAC GF-2 daje 22% maks, a ILSAC GF-3 daje 15% maks.
Ulje sa manjom Noack vrednošću daje ne samo manji iznos organskih ras-tvorljivih već i manji iznos nerastvorljivih frakcija. Sa smanjenjem isparljivosti uglavnom raste viskozitet ulja na mineral-noj bazi, a u znatno manjoj meri na sinte-tičkoj bazi (slika 9), što je nepovoljno sa aspekta potrošnje ulja, jer sa povećanjem potrošnje ulja raste i emisija CO2. Sa smanjenjem viskoziteta ulja smanjuje se po-trošnja goriva, što vodi smanjenju emisije CO2 i emisije CO, HC, NOx i čestica.
Karakteristike budućih ulja
Karakteristike budućih ulja za ben-zinske i dizel motore (tabela 4), zahteva-ju i nove testove koji će pratiti proveru kvaliteta budućih ulja (slika 10).
Sl. 9 — Korelacija isparljivosti i viskoziteta ulja a160
Sl. 10 — Rast broja testova za proveru kvaliteta ulja za dizel motore a9°
Ulja za benzinske motore
U SAD su zahtevi za niskoemisio-nim uljima benzinskih motora obuhvaće-ni nacrtom specifikacije ILSAC GF-4. Glavne razlike u odnosu na sadašnje specifikacije ILSAC GF-3 odnose se na smanjenje sadržaja fosfora na 0,05%, ograničenje sump ora na 0,5%, uvođenje novog motornog testa za ocenu habanja i zgušnjavanja ulja - sekvenca IIIG. Pored uvođenja starenja u sekvenci VIB, test ekonomicnosti potrosnje goriva biće pro-širen, a granice pooštrene. Sekvenca IVA test habanja ventila ostaje identična, ali zbog smanjenja sadržaja antihabajućeg aditiva ZnDTP (cinkditiofosfata), to će biti jedan od kritičnih testova. Najzad, test TEOST MHT-4 na probnom stolu biće znatno stroži zbog smanjenja maksi-malnog iznosa depozita na 25 mg u odnosu na 45 mg u GF-3.
U Evropi poboljšana specifikacija ACEA 2002 za ulja benzinskih motora, uzima se kao oštra baza za niskoemisio-ne zahteve - za izvesno vreme, mada je sledeće poboljšanje realno očekivati u 2004 godini. Umesto selektivne sekvence
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 1/2004.
83
Ill F, benzinska sekvenca ACEA oslanja se na PSA TU5 JP-L4 motorni test za po-većanje viskoziteta. Postoje dva testa za taloge, sekvenca VG i M111 za crne ta-loge. Habanje ventila obuhvaćeno je PSA TU3 MS, a ekonomicnost potrosnje goriva testom DCM111 FE.
Ulja za dizel motore
Habanje brega i klipnog sklopa di-zel motora obuhvaćeno je testom na DC OM 602A, kao i povećanje viskoziteta. Odnos između količine čađi i povećanja viskoziteta obuhvaćen je sa PSA XUD 11BTE. Čistoća klipova ocenjuje se kori-šćenjem VW ICTD, VW TDI i PSA XUD 11, ekonomicnosti potrosnje goriva pomoću M111 FE, a Ford Puma - novi dizel test za ekonomiju goriva biće razvi-jen u CEC-u.
U tabeli 5 sumirani su navedeni te-stovi za benzinske i dizel motore (* kri-tični test, n/a = neraspoloživ).
Tabela 5
Motorni testovi za buduća niskoemisiona ulja
"^-^Ozn.Test Osobine^"-'^..^ Benzinski motori Dizel motori
SAD Evropa Evropa
Habanje IVA* TU3MS OM 602A *
Povećanje viskoziteta IIIG (n/a) TU5 * XUD 11 *, OM 602A
Talozi VG M111BS *
Čistoća IIIG, MHT-4 * TD12 *
Ekonomija goriva VI-B * M111FE * Ford Puma (n/a)
Antihabajuće osobine
Što se tiče antihabajućih osobina ulja sekvenca IVA koristi se za ulja ben-zinskih motora, a CEC L-51-A-97 (OM 602A) test za ulja dizel motora.
Tabela 6 prikazuje rezultate niskoe-misionih ulja sa 0,05% P prema OM 602A (ulje C) i sekvence IVA (ulje Q) u odnosu na referentno ulje (ulje B) prema zahtevima MB p.229.5. Kao što se vidi, nije došlo do povećanog habanja iako je sadržaj fosfora bio dosta nizak.
Tabela 6
Antihabajuće osobine niskofosfornih ulja [17]
^~~~^^Granice Osobine^~~~^ Predložene granice Ulje C Ulje Q Ulje B ref.
Sumpor (%) 0,50 0,12 0,19 0,34
Fosfor (%) 0,05 0,05 0,05 0,09
Sulfatni pepeo (%) 0,80 1,0 0,82 1,27
OM 602A B3 Granice
Habanje brega ( bm) 50,0 8,8 30,9
Uglačanost cilindra (Mm) 7,0 0,3 0,2
Habanje cilindra (Mm) 20,0 9,4 7,4
Povećanje viskoznosti @ 400 C 90 33 32
Sekvenca IVA GF-4 Granice
Habanje brega M 120 15,2
Na slici 11 prikazana je osetljivost motora OM 602A u odnosu na habanje brega nisko emisionih ulja sa smanje-njem sadržaja fosfora (antihabajući si-stem-SAW).
Sl. 11 — Habanje brega po testu OM602A u funkciji sadrzaja fosfora u ulju a17°
84
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2004.
Čistoća klipova
Čistoća klipova se u sekvenci ACEA procenjuje prema motornom testu CEC L-78-T-99 (VW TD12) (54 h, 300°C).
Tabela 7 prikazuje karakteristike ulja (ulje D) sa niskim sadržajem fosfora (0,02%), sumpora (0,7%) i sulfatnog pe-pela (0,95%).
Tabela 7
Karakteristike ulja sa niskim sadržajem sulfatnog pepela prema testu VW TDI [18]
"—Granice Osobine Predložene granice Ulje D
Sumpor (%) 0,50 0,07
Fosfor (%) 0,05 0,02
Sulfatni pepeo (%) 0,80 0,95
VW TD12 B4-98 Granice
Klip 62 61
Klipni prsten 0,7 0,6
Uo~ava se da ulje D zahteva dalja poboljšanja, ali je indikativno da ulje sa niskim sadržajem sulfatnog pepela ispu-njava propisane zahteve.
cenjuju se motornim testom preko se-kvence III (80h, za buduće 160h).
Disperzivnost i kontrola taloga
Kao što je poznato, čađ se formira u difuznom plamenu pri sagorevanju gori-va. Zbog određenog produvavanja, tanak film ulja, pri spuštanju kroz cilindar, mesa se sa produktima sagorevanja goriva u zoni klipnih prstenova i na zidovima ci-lindra, dospevajući u korito motora. Čađ povećava viskozitet ulja, doprinosi obra-zovanju depozita, i habanju. Povećanje viskoziteta zbog povećanja sadržaja čađi, procenjuje se motornim testom CEC L-56-T-98 (XUD 11BTE). Pri sagorevanju siromašne smeše može doći do formira-nja taloga. Oni se procenjuju pomoću dva testa, sekvenca VG i CEC L-53-T-95 (M111 - crni talozi).
Oksidaciona otpornost i promena
viskoziteta
Oksidacioni procesi, naročito u pod-ručju klipnih prstenova, dovode do znat-nog povećanja viskoziteta ulja.
Smanjenje fosfora (ZnDTD) i sulfatnog pepela (povećanje sadržaja disper-zanata) može dovesti do znatnog smanje-nja antioksidacionih karakteristika nisko-emisionih ulja.
Antioksidacione karakteristike ulja za dizel motore u sekvenci ACEA pro-cenjuju se prema testu OM 602A. Kao što se vidi iz tabele 6, ulje C obezbeđuje visok nivo zaštite od povećanja viskoziteta prema MB. p.229.5. Za benzinske motore antioksidacione karakteristike u sadašnjim sekvencama API i ILSAC pro-
Zaključak
Motorno ulje je postalo važan fak-tor, pošto, pored ostalog, doprinosi i emi-siji štetnih komponenata. U svetu se sve vise koriste niskoemisiona ulja, odnosno ulja nižih viskozitetnih gradacija sa niskim sadržajem sumpora, fosfora, sulfatnog pepela i niskom isparljivošću.
Sve stroži zakonski propisi o emisi-jama vode ka ekspanziji sintetičkih mo-tornih ulja, koja u odnosu na mineralna smanjuju emisiju NOx za oko 12%, emi-siju čestica za oko 10% i emisiju HC za oko 10%, dok potrošnju goriva smanjuju za oko 2%.
Rastući zahtevi u pogledu kvaliteta ulja povećavaju i broj testova za proveru njegovog kvaliteta.
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 1/2004.
85
Zahvaljujući zakonskoj regulativi u prethodnim dekadama kvalitet motornih ulja je povećan. Tako|e, i buduće speci-fikacije motornih ulja biće uslovljene re-gulativama koje će odre|ivati nivo slede-ćih emisija.
Literatura:
[1] Kennedy, S. i dr.: A Sinthetic Diesel Engine Oil with Extended Labaratory Test and Field Service Performance, SAE Paper 95 2553.
[2] Jetter, K. i dr.: Extended Oil Drain Performance Capbilities of Diesel Engine Oils, SAE Paper 98 2718.
[3] Kelly, K. i dr.: Performance of on Advanced Synthetic Diesel Engine Oil, SAE Paper 2000-01-1993.
[4] Auto Technology Intern. Jan. 2001.
[5] Geehan, J. i dr.: Lubricants that Optimise Diesel Engine Fuel Economy and Allow Extend Oil Drains, 13-th In-tern.Colloq. Tribology, Esslingen 2002.
[6] Manni, M. i dr.: Impact of Fuel and Oil Quality on Deposits, Wear and Emissions from a Light-Duty Diesel engine with EG8, SAE Paper 2000-01-1913.
[7] Gligorijević, R., Jevtić, J.: The Impact of Lube Oil Characteristics on Emission from Diesel Engine, Nordtrieb 2002, Stockholm 2002.
[8] Korcek, S. i dr.: Automotive Lubricant for next Millenium, Tribology 2000 plus, Esslingen 2000.
[9] Geehan, J. i dr.: API CI4: The First Oil Category for Diesel Engines Using Cooled Exaust Gas recirculation, 13-th Intern. Colloq. Tribology, Esslingen 2002.
[10] Luther, R.: Cheracheristics of Environmentally Compatible Engine, 13-th Intern. Colloq. Tribology-Lubrication Engineering, Esslingen 2002.
[11] Hilden, L., Mayer, J.: The Cntribution of Engine Oil to Particulate Exhaaust Emissions from high — Duty Diesel Powered Vehicles, SAE Paper 841395, 84.
[12] Lepperhoff, G., Houben, M.: Particulate Emission and Soot Formation Processes by Diesel Engines, I Mech E, 1012,1990.
[13] Cartellieri, W., Herzog, P.: Swirl Supported of Quiescent Combustion for 1990’s Heavy-Duty Diesel Engines-Analysis, SAE Paper 880342.
[14] Internal Chevron Oronite data.
[15] Luther, R.: Characterists of Environmentally Compatibile Engine Oils, 13-th Intern. Colloq. Trib., Esslingen 2002.
[16] Froelund, K. i dr.: Impact of Oil Consumption on Particulate Emissions for Diesel Engines, Fisita 02, F02 V327.
[17] CEC L-51-A-97 (OM 602 A) Engine tests.
[18] CEC L-78-T-99 Engine tests.
86
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 1/2004.
