Kenőképesség-javító adalékok

A kopás apró anyagrészecskéknek mechanikai erők, súrlódó erők hatására bekövetkező fokozatos – az üzemeltetés szempontjából káros – leválása, eltávozása a felületről. A magyar nyelvhasználatban a kopás fogalmán értjük egyrészt a koptatóerők hatására végbemenő folyamatot, másrészt pedig annak eredményét, a koptatott felület méretváltozását. Így beszélhetünk pl. gyors kopásról és nagy kopásról.

Fokozott súrlódás esetén a felületek hatásos védelme a súrlódó felületeken tartós kémiailag kötött határfelületek létrehozásával érhető el. Ezek a határfelületi rétegek, vagy más néven tribofilmek, a kopás és súrlódáscsökkentő adalékok és a fémfelület közötti kölcsönhatás eredményeképpen jönnek létre. A folyadékok kopás- és súrlódáscsökkentő tulajdonságát más néven kenőképességnek is hívják [146, 147].

A kenőképesség a dízelgázolajok egyik nagyon fontos tulajdonsága, mivel a motorhajtóanyag-tartálytól az injektorig a dízelgázolaj számos mozgó résszel kerül kapcsolatba. Szemben a haszongépjárművek nagy motorjaival, a kisebb 4-6 hengeres motorok befecskendező szivattyúinak kenését a motorhajtóanyag látja el. A dízelgázolajok kenési szerepe igen összetett feladat, hiszen az üzemelés közben számos kopásfajta jelentkezik. Ilyen pl. a gördülő elemek rezgéses, vagy a lökőtárcsák súrlódásos kopása. Emellett még egyéb

feladatot is el kell látnia, mint a szorosan illesztett fémfelületek súrlódásának csökkentését, vagy a felületelválasztó és -nedvesítő szerepét, vagy a letapadások megakadályozását. Így hatásmechanizmusában a kenőanyagoktól eltérően nem a szénhidrogén komponensek orientált adszorpciójának elérése a cél, hanem egy védőréteg kialakítása [147-150].

1.5.1. A kenőképesség-javító adalékok hatásmechanizmusa

A dízelüzemű gépjárművek hajtóanyag-szivattyúi esetében a hidrodinamikai kenésen túl a határkenés is megvalósul. A határkenés igen bonyolult, nehezen definiálható jelenség.

Gyakran a kenés egy olyan fajtája, amely két egymással érintkező, és egymáson elmozduló felület közötti vékonyrétegben jön létre. A kopás és súrlódás mértékét pedig a súrlódó felületek anyaga és a kenőanyag viszkozitásán kívül annak minősége is meghatározza. A határkenés jellemzésére többféle megközelítés is létezik a szakirodalomban [47, 148-150], például:

− a kenőanyag aktív anyagai a folyadék határfelületén rendeződnek, és a határkenés a folyadékréteg jelentős elvékonyodása következtében alakul ki,

− a kenőképesség szempontjából a viszkozitáson kívül nagyon fontos a súrlódó felületek terhelése és kapcsolata a kenőanyagot alkotó vegyületekkel.

A határkenés akkor valósul meg, ha a szilárd felületek olyan közel vannak egymáshoz, hogy a felületek közötti kapcsolat akár érzékelhető is lehet, és a felületek között film-vékonyságú kenőfolyadék van. A kopás és súrlódás nagyságát pedig elsődlegesen a szilárd anyag és a folyadék közötti kölcsönhatás határozza meg.

Motorhajtóanyagok esetében a határkenés kialakulásának lehetséges okai a következők [47, 147]:

− adszorbeált vékony vagy vastag filmek kialakulása a poláris vegyületek által (9. ábra),

− poláris viszkózus vegyületek feldúsulása a felület közelében hidrodinamikai filmet alkotva,

− a súrlódó felületek közötti komponensek kémiai reakciója (10. ábra),

− EP komponensek jelenléte szigorú adhéziós kopási körülmények között.

A kopások a hajtóanyag-szivattyúk egymáson elmozduló alkatrészein keletkeznek. Ezért a legfontosabb, hogy fizikai adszorpcióval és/vagy kemiszorpcióval olyan védőréteg alakuljon ki, amelynek hatására csökken a fém-fém érintkezési pontok száma. Ez poláris vegyületek adszorpciójával valósítható meg a legkönnyebben.

9. ábra

Az adszorpciós film kialakulásának mechanizmusa

10. ábra

A kemiszorpciós film kialakulásának mechanizmusa

A dízelgázolajok kenőképességét befolyásoló tényezők a következők [47]:

− jelentős mértékben a három- és többgyűrűs aromás-, a nitrogén- és az oxigéntartalmú vegyületek jelenléte,

− a mono- és a diaromás vegyületek csak kis mértékű hatással vannak a kenőképességre,

− a legtöbb kénvegyület szintén javítja a kenési tulajdonságokat.

Korábban már említettem, hogy az utóbbi években bekövetkezett környezetvédelmi szigorítások hatására jelentős mértékben csökkentették – többek között – a dízelgázolajok kén- és aromás-tartalmát (különösen az előbbit), és a közeljövőben még további csökkentés várható a többgyűrűs aromások esetében. Ennek eredményeként megváltozott a dízelgázolajok kenőképessége, amit azóta számos tanulmányban vizsgáltak [47-49,147-158].

Ezekben a következőket állapították meg:

• nincs egyértelmű kapcsolat a kéntartalom és a kenési tulajdonságok között,

• a kis kéntartalmú dízelgázolajok kenőképességét elsősorban viszkozitásuk és diaromás tartalmuk határozza meg,

• a gyenge kenőképességű motorhajtóanyagok tulajdonsága javítható 10-20% jó kenési tulajdonságú motorhajtóanyag hozzákeverésével,

• adalékolással a motorhajtóanyagok kenési tulajdonsága javítható.

1.5.2. A kenőképesség-javító adalékok képviselői

A kenőképességet javító adalékok általában hosszú szénhidrogén lánccal rendelkező poláris molekulaszerkezetű vegyületek. Ezen adalékok az elmúlt évtizedekben hatásosnak bizonyultak a határfelületi tartományban keletkezett veszteségek csökkentésére. A felületen adszorbeálódva kenőfilmet képeznek, és ezáltal kis súrlódási koefficienst biztosítanak.

Számos vegyülettípust alkalmaznak dízelgázolaj kenőképességének javítására. Ezek lehetnek alkenil-szukcinimidek, hosszú szénláncú alkoholok, savak, észterek (alkoholok észterei, növényi zsírsavak észterei, bisz-alkenil-szukcinimid észter stb.), karbonsavamidok, zsírsavak és aromás triazolok reakciótermékei, zsírsavak és tercier aminok keverékei, egyéb nitrogén-tartalmú vegyületek és polimerekkel szubsztituált karbonsavak keverékei [43-49]. A leggyakrabban használtakat 3 fő csoportra oszthatjuk [157]:

- polimer savak - csővezetékek korróziós inhibitoraiként is használják őket;

probléma, hogy a motorhajtóanyag komponenseivel reagálva a keletkezett részecskék kiülepedhetnek, eltömhetik a szűrőket;

- monomer savak - a polimer savakhoz hasonlóak, kivéve, hogy nem képeznek hosszú polimer láncokat;

- kis molekulatömegű savak (10-14 szénatom-számú) - dízelgázolaj tárolásakor használják, mert korróziógátló hatásuk is van; használatával a korrózió foka kb.

felére csökkenthető.

A dízelgázolajokban a kenőképesség-javítókon kívül más funkciójú súrlódás- és kopáscsökkentő adalékok alkalmazása is előnyös lehet. Ezek az adalékok csökkentik a motorban levő súrlódást a felső olajlehúzó-gyűrű és a henger közötti kenési állapotának javításával. Ezzel a hajtóanyag-megtakarítás 1-2% lehet. Ilyen vegyületek például a N,N’-bisz(hidroxialkil)-alkil-aminok [4, 9].

A dízelgázolajokban alkalmazott egyéb adalékok is lehetnek kenőképességet javító hatásúak. Ilyenek a Manich-reakciótermékek vegyületei, vagy a szukcinimid-származékok is, amelyek detergens-diszpergens adalékként való alkalmazásuk mellett kenőképesség-javító hatásúak is lehetnek (PIB hatása).

1.5.3. A biodízeltartalmú dízelgázolajok kenőképessége

Közismert, hogy a biodízel bekeverése a dízelgázolajokba főleg azok kenőképességére volt hatással. Ezeket a hatásokat számos vizsgálattal bizonyították.

Biodízelek kenőképességének okait tárgyalják Knothe G. és munkatársai közleményükben [159]. Fő megállapításuk, hogy a különböző funkciós csoportok kenőképesség-javító hatásának sorrendje a következő:

COOH>CHO>OH>COOCH3>C:O>C-O-C.

A zsírsav komponenseket jobb kenőképességűnek találták a benne lévő polaritás-befolyásoló oxigén atom miatt. Szabad zsírsavak, mono-acil-glicerinek és a glicerinek jobb kenőképességet mutattak, mint a zsírsav-észterek. A kenőképességet némiképp javítja a lánc hossza és a kettős kötés jelenléte. Az OH-, NH2- és SH-tartalmú C3 komponensekkel nyert eredmények azt mutatták, hogy az oxigén jobban javítja a kenőképességet, mint a nitrogén, vagy a kén. Mivel a kereskedelmi biodízel jobban javította a kenőképességet, mint a tiszta zsírsav-észter, ezért arra következtettek, hogy a biodízel egyéb komponensei is hozzájárulnak a kenőképesség javulásához kis biodízel-tartalmú keverékek esetén. Ilyenek például a szabad zsírsavak [159].

Anastopoulos, G. és munkatársai oxigén- és nitrogén-tartalmú vegyületek hatását vizsgálták kis kéntartalmú dízelgázolajok kenőképességére [160]. Négyféle biodízelt, ötféle alifás amint, kétféle tercieramint, tízféle monokarbonsav-észtert, háromféle aceto-acetátot és hétféle dikarbonsav-észtert vizsgáltak kis mennyiségben, dízelgázolajban oldva, HFRR készüléken. Az eredmények szerint mindegyik adalék javította a kenőképességet. A biodízelek esetében 1% koncentrációig volt szignifikáns a javulás, utána egy állandó értékre állt be a kopásnyom mérete. Az alifás aminok esetében csak 3,0% koncentrációnál volt szignifikáns javulás. Az amidok alkalmazásakor kb. 0,5% volt az optimális koncentráció, míg a monokarbonsav észterek esetében 500 mg/kg. Az acetoacetát észter esetében 750 mg/kg alatt nem volt szignifikáns javulás. A dikarbonsav észterek esetében is legalább 500-750 mg/kg szükséges a 460 µm alatti kopási átmérő biztosításához.

1.5.4. Kenőképesség-vizsgálatok

A súrlódás- és kopásvizsgálati módszerek két fő csoportba oszthatók. Az elsőben a laboratóriumi méretű kísérletek, a másodikban az üzemhasonló kísérletek szerepelnek [146].

A laboratóriumi modellkísérletek egyszerűsített próbatesttel végzett mechanikai vizsgálatokat jelentenek. Az üzemhasonló- és a modellkísérletek kopásvizsgálati eredményei azonos vizsgálati minták esetén nagyon eltérő eredményeket adhatnak. Egyértelmű korreláció csak részben állítható fel a modell és a teljes méretű berendezések között. A modellkísérletek eredményei ezért nem vihetők át közvetlenül a gyakorlati alkalmazás szintjére. A

modellkísérletek nagy előnye azonban, hogy relatív összehasonlításra kitűnően alkalmasak, tehát két adalék vagy adalékkompozíció kenőképessége egymáshoz viszonyítva mérhető. A modellkísérletek további igen nagy előnye, hogy szemben az üzemhasonló vizsgálatokkal, nincsenek nagy költségei. A kopásvizsgálati módszerek a DIN 50 322 szabvány szerint hat kategóriába oszthatók (5. táblázat) [147].

5. táblázat Kopásvizsgálati kategóriák 1. Üzemi, illetve üzemhasonló kísérletek

Kategória I. Üzemi kísérlet (futókísérlet)

Kategória II. Vizsgálóállomási kísérlet komplett géppel

Kategória III. Vizsgálóállomási kísérlet gépegységgel vagy részegységgel 2. Kísérleti modellrendszer

Kategória IV. Kísérlet változatlan szerelési egységgel vagy kicsinyített gépegységgel Kategória V. Igénybevétel hasonló kísérleti próbatesttel

Kategória VI. Modellkísérlet egyszerű próbatesttel

Motorhajtóanyag adalékok kenőképesség-javító hatásának főbb vizsgálatai [146, 161]:

- Befecskendező szivattyú teszt (ISO/DIS 12156-1; III. kategória): lényege, hogy a vizsgálati idő alatt bekövetkezett kopást µm-ben meghatározzák, és azt a szivattyúelem 3000 000 km-nek megfelelő normál kopási értékszámmal jellemzik.

Az értékszámok 1-10 között lehetnek. A 6-os érték a kritikus jellemző szám. Ez a vizsgálati módszer meglehetősen időigényes és költséges, így előszelektáló vizsgálatra nem, csak új termék bevezetése esetén alkalmazzák.

- HFRR (High Frequency Reciprocating Rig, ISO 12156, ASTM D6079; VI.

kategória,): két mintadarabot motorhajtóanyag jelenlétében állandó terhelés mellett adott ideig egymáshoz dörzsölnek, így mérik a kopást és a súrlódást. A felső mintadarabon létrejövő kopásnyomot mérik mikronban. Ha a mért érték

<460 mikron, akkor a kenőanyag tulajdonságai megfelelőek ahhoz, hogy megvédjék a motor alkatrészeit.

- SLBOCLE (Scuffing Load Ball On Cylinder Lubricity Evaluator, ASTM D 6078;

VI. kategória): Itt is két fém mintadarabot dörzsölnek egymáshoz motorhajtóanyag jelenlétében, de a futtatást a teljes kopásig (szétmorzsolódásig) végzik és a terhelő erőt mérik.

Mindkét laboratóriumi módszer eredményei jól korrelálnak az injektor-szivattyú teszt eredményeivel. A dízelgázolajok minőségét meghatározó szabvány a HFRR vizsgálatot írja elő (EN ISO 12156-1).