Test olejów silnikowych - Millers Oils

W styczniu 2014r firma Millers Oils przeprowadziła test silnika wyścigowego Mercedesa SLS AMG GT3 na hamowni i stwierdziła, że stosując olej Nanodrive oparty na nanotechnologii, zamiast dotychczasowych olejów wykorzystywanych w sporcie motorowym, uzyskano 1,5% wzrostu mocy. W rzeczywistości, Martyn Mann, dyrektor techniczny Millers Oils mówi, że zaobserwowano wzrost mocy do 8% w porównaniu z innymi dostępnymi produktami.

Takie osiągnięcie nie mogło ujść uwadze RET (Race Engine Technology). Czy to w ogóle jest możliwe, i jeśli tak, to, co się do tego przyczyniło?

Olej silnikowy, czynnik redukujący tarcie w silniku

Logicznie rzecz biorąc, jakikolwiek wzrost mocy jest rezultatem znacznego zmniejszenia tarcia w silniku. Jeżeli weźmiemy przykład turbodoładowanego silnika V8 osiągającego 21 barów bmep (średnie efektywne ciśnienie mierzone na wale korbowym) i 633 Nm momentu obrotowego przy 7 500 obr/min i moc 497 kW (667 KM), moglibyśmy oczekiwać, że średnie ciśnienie użyteczne (fmep) tracone na skutek tarcia wynosi 3 bary, podczas gdy kolejne 3 bary są tracone na pompowanie. Sprawność mechaniczna silnika wynosi 78%. Domniemany wzrost mocy o 8% przy zastosowaniu oleju Millers Oils, musiałoby oznaczać zredukowanie fmep.

Biorąc pod uwagę maksymalny wzrost o 8%, można powiedzieć, że silnik generuje moment obrotowy wynoszący 684 Nm i 537 kW (729KM), zakładając, że prędkość obrotowa silnika pozostaje taka sama. Ponieważ bmep jest funkcją mocy wyjściowej silnika, odwracając te równania, wzrost bmep o 1,68 bara oznacza spadek fmep o taką samą wartość i wzrost sprawności mechanicznej do 84%.

Wyniki te robią niesamowite wrażenie, jednak wspomniany przyrost mocy rodzi uzasadnione wątpliwości. Millers twierdzi, że wszystkie testy zostały przeprowadzone w identycznych warunkach, i przeprowadzono trzykrotnie pomiary wartości na każdym z olejów. Jednakże nie jest całkiem jasne, jakich rodzajów olejów użyto do porównania, zostały one jedynie określone, jako oleje wykorzystywane w sporcie motorowym i oleje do zastosowań drogowych spełniające wymagania standardów OEM.

Lepkość oleju silnikowego Millers

Lepkość oleju silnikowego jest niezwykle ważna- zbyt gęsty olej obciąża silnik, zbyt rzadki olej powoduje, że warstwa filmu olejowego może spaść do niebezpiecznie niskich wartości. Oprócz tego zdolność oleju do przenoszenia obciążeń spada gwałtownie. Dlatego być może najważniejszym osiągnięciem jest to, że dzięki nanotechnologii udaje się zachować oryginalną lepkość oleju zalecaną dla silnika. Jednakże Mann twierdzi, że teoretycznie technologia ta mogłaby pozwolić na obniżenie lepkości, i można by oczekiwać przyrostu mocy wynoszącego 1,5-3% poprzez obniżenie kategorii lepkości SAE.

Jakkolwiek ambitnie by to brzmiało, z pewnością są pewne zalety zmniejszenia lepkości. Z mojego własnego doświadczenia wynika, że przyrost mocy wynikający z mniejszego tarcia jedynie na łożyskach głównych i łożyskach korbowodów wynosił 2,5 kW przy zmianie oleju z 0W/40 na 0W/20 w turbodoładowanym silniku V8, który generował moc maksymalną wynoszącą 410 kW. Uzyskano to jednak kosztem minimalnej grubości filmu olejowego na łożyskach korbowodów, której wartość spadła poniżej zalecanej przez producenta przy wykorzystaniu oleju 0W/20. Chociaż grubość filmu olejowego na głównym łożysku pozostała w granicach dopuszczonych przez producenta, zdolność danego silnika do utrzymania wysokiego ciśnienia w cylindrze w całym zakresie prędkości obrotowej silnika ograniczyła korzystny wpływ oleju na zmniejszenie obciążenia inercyjnego, a przez to utrudniła zdolność głównego łożyska do wykorzystania cieńszego filmu oleju, co może prowadzić do pracy silnika w niepożądanych, mieszanych -- lub, co gorsza granicznych—warunkach smarowania.

Smarowanie silnika

Krzywa Stribecka jest przydatnym narzędziem do zilustrowania różnych warunków smarowania silnika, oraz porównania różnych olejów. Wykres tu przedstawiony został sporządzony przez Millers i ilustruje działanie oleju Nanodrive (zielona linia) o niższym współczynniku tarcia w porównaniu z olejem tradycyjnym, w różnych warunkach, w szczególności w warunkach granicznych.

Krzywa Stribecka ilustruje działanie oleju Nanodrive (zielona linia) w porównaniu z olejem tradycyjnym, w różnych warunkach.

Chociaż olej Nanodrive nie różni się pod względem pojemności cieplnej od olejów konwencjonalnych, to jednak zaobserwowano nieco niższą temperaturę oleju i całego silnika spowodowaną zmniejszonym tarciem w silniku. To daje potencjalną możliwość zmniejszenia chłodnic, a w szczególności chłodnicy oleju, co w przypadku samochodów wyścigowych może przyczynić się do cennego polepszenia aerodynamiki i oszczędności miejsca.

Odporność oleju na rozrzedzenie spowodowane przedmuchiwanym paliwem nie jest większa niż w przypadku innych olejów, ale nie należy zapominać, że zapobieganie przedmuchom to zasadniczo zadanie pierścieni tłokowych.

Nie zaobserwowano wpływu na zużycie oleju, a jego żywotność jest taka sama jak olejów zalecanych przez OEM. Mann twierdzi, że po wnikliwej analizie, jakiej poddano olej po 5 następujących po sobie imprezach GT3 olej wciąż zachowywał swoje właściwości. Dotyczyło to silnika, w którym standardowo olej wymieniany był po każdym wyścigu.

W normalnych warunkach, maksymalna ochrona osiągana jest po przekroczeniu 100oC, w której to temperaturze dodatki i nanotechnologia osiągają optymalne parametry pracy. Dla oleju Nanodrive 20W/50, który Millers wprowadził dla starszych samochodów, temperatura spada do około 80oC. Pozostaje to bez wpływu na ciśnienie oleju, pod warunkiem, że zastosujemy olej silnikowy o takiej samej lepkości, jak oryginalnie zalecana przez producenta silnika.

Test oleju silnikowego

Czym więc różni się ten olej od innych? Millers wykorzystuje nanotechnologię, manipulującą materią o rozmiarach 1-100 nanometrów (nm) w celu stworzeniu materiałów nieosiągalnych przy wykorzystaniu konwencjonalnej inżynierii chemicznej. W jednym metrze znajduje się miliard nanometrów, (czyli 1000 nm. przypada na jeden mikron). Żeby przybliżyć skalę, można wyobrazić sobie, że gdyby marmurowa kulka do gry miała średnicę 1 nm, średnica Ziemi wynosiłaby 1m. Millers wykorzystuje nanocząsteczki, które znajdują się obok konwencjonalnych cząsteczek ZDDP (dialkiloditiofosforan cynku), detergentów i dyspersantów, i mają średnicę 5-10nm. Dla porównania, średnica DNA wynosi 2 nm, a średnica białek waha się od 5 do 50 nm.

Millers twierdzi, iż udało im się osiągnąć spójną pracę wszystkich dodatków razem, a testy olejów innych marek wykazały, że stosowane dodatki „zwalczały się” wzajemnie, jako że osiągają one najlepsze parametry w tych samych warunkach. Tak więc pełna wydajność tych dodatków nie jest osiągana. Olej silnikowy Nanodrive posiada taką strukturę, że jego główne składniki współpracują ze sobą wzajemnie się uzupełniając. Estry syntetyczne osiągają najwyższą efektywność przy niskich prędkościach obrotowych i niewielkim obciążeniu, podczas gdy ZDDP włącza się do działania wraz ze wzrostem obciążenia bez względu na prędkość obrotową silnika. Gdy warunki pracy stają się szczególnie trudne, nanotechnologia przychodzi z pomocą.

W normalnych warunkach nanocząsteczki zachowują się jak miliony łożysk kulkowych, które służą redukcji tarcia. Jednak w warunkach dużych obciążeń kontaktowych, nanocząsteczki wykazują specyficzne zachowanie- nie przypominają już łożysk kulkowych, ale rozkładają się tak aby stworzyć szczelną warstwę ochronną na współpracujących powierzchniach. Zjawisko to zachodzi nawet w najgorszych warunkach granicznych, gdzie konwencjonalne oleje mogą nie być wystarczająco efektywne. Jest to kluczowy element redukcji tarcia, osiągany dzięki olejom wykorzystującym nanotechnologię. Najistotniejszą rzeczą jest tu to, iż warstwy osadzające się na powierzchniach nie ulegają ponownemu połączeniu, jednakże właściwości chemiczne cząsteczek są wystarczające, aby zachować normalne okresy pomiędzy wymianami oleju.

Istotna jest także ilość dodatku ZDDP. Więcej nie zawsze znaczy lepiej, ponieważ za duża ilość spowoduje, że olej silnikowy będzie zbyt lepki, a zatem wzrośnie odporność na ściekanie i ścinanie. Jednak najnowsze regulacje prawne dotyczące pojazdów drogowych zalecają redukcję ZDDP w olejach silnikowych, którym przypisuje się „zatruwanie” układów katalitycznych, spowodowane fosforem zawartym w ZDDP i z powodu szkodliwego wpływu na cząstki stałe, jakie mogą powodować popioły olejopochodne. To zmusza producentów do stosowania różnych technologii metalurgicznych (np. DLC-warstwa diamentopochodna) w celu zredukowania tarcia- i tu najlepszym rozwiązaniem jest nanotechnologia.

Millers twierdzi, że po rozłożeniu na części silnika, w którym zastosowano olej Nanodrive, zaobserwowano odbarwienia powierzchni elementów stykających się, szczególnie w miejscach występowania smarowania granicznego. Wskazuje to na reakcję chemiczną pomiędzy nanocząsteczkami i powierzchnią metalu. Ta niezwykle cienka warstwa (nazywana czasem tribofilmem) z czasem dodatkowo przyczynia się do redukcji tarcia. Jednym z przypadków gdzie mogłoby to być szczególnie pożądane jest rozrząd, w którym suche starty towarzyszą granicznym warunkom smarowania pomiędzy krzywką i popychaczem, w szczególności w układzie rozrządu o napędzie bezpośrednim z popychaczami szklankowymi.

21 lutego 2013 roku RET-Monitor zamieścił artykuł „Smarowanie: nanotechnologia”, w którym opublikował wyniki typowego testu porównawczego dla tarcia poślizgowego różnych materiałów smarnych, które wykazały, że zwykły olej samochodowy osiąga współczynnik tarcia równy 0,17 przy przeciętnej wytrzymałości filmu olejowego wynoszącej 84%. Olej do samochodów wyścigowych posiada lepsze właściwości ze współczynnikiem tarcia równym 0,11, jednak kosztem wytrzymałości filmu olejowego wynoszącej 75%. Wyniki oleju z nano-dodatkami wskazywały na współczynnik tarcia jedynie 0,06 przy zachowanej wytrzymałości filmu wynoszącej 98%.

Nowoczesne silniki samochodowe a olej silnikowy oparty na nanotechnologii

Wraz z zastojem w dziedzinie konstruowania silników i wzrostem wymagań w stosunku do silników, rozwój technologii smarów z pewnością będzie drogą, którą wiele zespołów zechce podążać w poszukiwaniu cennych koni mechanicznych, w szczególności, gdy mamy do dyspozycji techniczne zdobycze opisane powyżej. Nonotechnologia okazała się również być bardzo wydajna w przypadku silników wysokoprężnych, otwierając sobie rynek, szczególnie dla serii Le Mans.

Co więcej, należy spodziewać się coraz powszechniejszego wykorzystania środków smarnych opartych na nanotechnologii w pojazdach drogowych w celu osiągnięcia pożądanych parametrów i sprostania wymaganiom norm emisji spalin stawianym sektorowi motoryzacyjnemu.