Εξελίσσεται µαζί µε τις τεχνολογίες των κινητήρων και τις προτιµήσεις των καταναλωτών. Σηµαντική είναι η στροφή προς τα συνθετικά λιπαντικά χαµηλού ιξώδους, αλλά και στα φιλικά προς το περιβάλλον προϊόντα.
Τα τελευταία χρόνια η αυτοκινητοβιομηχανία εξελίσσεται με αυστηρά πρότυπα εκπομπών ρύπων και τεχνολογίες προσαρμοσμένες σε αυτά. Η αγορά των λιπαντικών κινητήρα ακολουθεί την ίδια τάση. Το «λάδι» παίζει καθοριστικό ρόλο στη διατήρηση της απόδοσης, της μακροζωίας και της απόδοσης του κινητήρα. Τα συνθετικά προϊόντα του είδους κερδίζουν, συνεχώς, σε δημοτικότητα λόγω της ανώτερης απόδοσής τους και των εκτεταμένων διαστημάτων αλλαγής. Οι κατασκευαστές επιλέγουν και συνιστούν όλο και περισσότερο συνθετικά λιπαντικά για τους σύγχρονους κινητήρες, καθώς προσφέρουν καλύτερη προστασία από τη φθορά, βελτιωμένη οικονομία καυσίμου και συνεπώς λιγότερου ρύπους. Για τους παραπάνω λόγους υπάρχει αυξανόμενη ζήτηση, σήμερα, για λιπαντικά χαμηλού ιξώδους. Αυτά, όπως τα 0W-20, προσφέρουν βελτιωμένη λίπανση σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, οδηγώντας σε μειωμένη τριβή και κατανάλωση.
Το ιξώδες μπορεί να οριστεί ως η αντίσταση στη ροή ενός ρευστού. Τα μόρια ενός ρευστού έλκονται μεταξύ τους σε μοριακό επίπεδο και απαιτείται κάποια ενέργεια για να τα ξεκολλήσει ώστε να υπάρξει ροή. Όσο μεγαλύτερα τα μόρια τόσο εντονότερη η έλξη μεταξύ τους και υψηλότερο το ιξώδες. Η ενέργεια που απαιτείται για να ξεπεραστεί αυτή η έλξη από μόριο σε μόριο και να προκληθεί ροή υγρού μπορεί να θεωρείται μία μορφή τριβής. Έτσι, το ιξώδες εκλαμβάνεται ως μία μορφή μοριακής τριβής, που εμποδίζει το λάδι να διαφεύγει πολύ γρήγορα όταν δύο επιφάνειες του κινητήρα σε σχετική κίνηση έρχονται κοντά μαζί υπό πίεση. Αυτή η αδυναμία του λαδιού να διαφύγει γρήγορα κρατά τις δύο επιφάνειες σε απόσταση και αποτρέπει τη φθορά, αποτελώντας μία διαδικασία που ονομάζεται «υδροδυναμική λίπανση».
Είναι προφανές ότι όσο υψηλότερο είναι το ιξώδες, τόσο µεγαλύτερη είναι η έλξη των µορίων του λαδιού και τόσο µεγαλύτερη είναι η προστασία από τη φθορά.
Ωστόσο, παρότι είναι σημαντική η ιδιότητα του ιξώδους για τον κινητήρα (αποφυγή φθοράς μέσω της υδροδυναμικής λίπανσης), το υψηλό ιξώδες έχει και ορισμένες αρνητικές πτυχές που επηρεάζουν την απόδοση της λειτουργίας του. Η «μοριακή τριβή» του λαδιού απαιτεί ενέργεια για να ξεπεραστεί. Μία σημαντική ποσότητα ενέργειας από τον κινητήρα χάνεται χάρη στην προστασία που παρέχει από τη φθορά. Έτσι, η προσεκτική διαμόρφωση του ιξώδους του λαδιού κινητήρα με την επιλογή ενός βασικού υλικού και πρόσθετων που επηρεάζουν το ιξώδες είναι κρίσιμη γι’ αυτόν.
Η µείωση του ιξώδους του λαδιού είναι καθοριστική για την ελάττωση της τριβής και τον περιορισµό της κατανάλωσης του καυσίµου. Είναι ενδιαφέρον ότι τα τελευταία χρόνια, έχει αυξηθεί ο αριθµός των αυτοκινήτων που µπορούν να λειτουργούν µε λεπτόρευστα λιπαντικά, βελτιώνοντας σηµαντικά την απόδοση του κινητήρα τους.
Τυποποίηση µε βάση το ιξώδες
Το ιξώδες του λιπαντικού ήταν πάντα συνδεδεμένο με την προστασία από τη φθορά. Κατά συνέπεια, από το 1911, η ένωση SAE θεωρεί το ιξώδες ως σημαντικό παράγοντα για τη λειτουργία του κινητήρα και καθιέρωσε το σύστημα ταξινόμησης ιξώδους λιπαντικού κινητήρα J-300 [Engine Oil Viscosity Classification System] για να καθορίσει επίπεδα ιξώδους για κινητήρες με μία σειρά προτύπων που ορίζονται από την τιμή του ιξώδους σε μία ή δύο ζώνες θερμοκρασίας. Αυτές αντιστοιχούν στις θερμοκρασίες λειτουργίας του κινητήρα για τις κανονικές και για τις χειμερινές θερμοκρασίες στις οποίες το λάδι του κινητήρα επηρεάζει την εκκίνηση και την άντληση. Κατά τη δεκαετία του 1940, διαπιστώθηκε ότι όταν μικρές ποσότητες ενός διαλυτού πολυμερούς υψηλού μοριακού βάρους προστέθηκαν στο λάδι του κινητήρα, αυτό φαινόταν να έχει τα επιθυμητά χαρακτηριστικά ροής τόσο για εκκίνηση σε χαμηλή θερμοκρασία όσο και για λειτουργία σε υψηλότερη θερμοκρασία. Έτσι, προέκυψε η τυποποίηση των πολύτυπων λιπαντικών που πληρούν τις απαιτήσεις δύο θερμοκρασιακών ζωνών ιξώδους.
Τα πολύτυπα λάδια ξεκίνησαν σαν 20W-50, και το ιξώδες για τα επιβατικά αυτοκίνητα μειώθηκε σταδιακά από τη δεκαετία του 1980 από 10W-40, σε 5W-40, 5W-30, 0W-30 και σε 0W-20. Κατά την δεκαετία του 1980, προστέθηκαν νέοι έλεγχοι που προσομοιάζουν καλύτερα τις συνθήκες λειτουργίας.
Προστίθενται μετρήσεις που γίνονται με ένα νέο ιξωδόμετρο (Tapered Bearing Simulator Viscometer) και σε θερμοκρασίες 150°C. Αυτός ο έλεγχος για την ποιότητα του λαδιού του κινητήρα είναι γνωστός ως ιξώδες υψηλής θερμοκρασίας, υψηλής διάτμησης (HTHS – High Temperature, High Shear) και με βάση αυτό τον έλεγχο επιβλήθηκαν ελάχιστα όρια για τις διάφορες ταξινομήσεις κατά SAE. Το πάχος του λιπαντικού φιλμ σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας έχει άμεση σχέση με την τιμή του ιξώδους κατά HTHS. Ένα λάδι με χαμηλή τιμή “HTHS” έχει λεπτό λιπαντικό φιλμ, λιγότερη τριβή και χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου. Που σημαίνει και χαμηλότερες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα (CO2), αλλά και μεγαλύτερη φθορά.
Δείκτης V-FEI
Η σχέση μεταξύ του ιξώδους και της επίδρασής του στην κατανάλωση καυσίμου έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη μίας νέας παραμέτρου που ονομάζεται δείκτης απόδοσης καυσίμου και εξαρτάται από το ιξώδες (V-FEI Viscosity-Dependent Fuel Efficiency Index). Με δεδομένο ότι το ιξώδες του λαδιού του κινητήρα επηρεάζει την απόδοσή του, αναπτύχθηκε μία τεχνική για τον υπολογισμό των επιπτώσεων των λιπαντικών στην κατανάλωση καυσίμου. Ο δείκτης απόδοσης ιξώδους καυσίμου (V-FEI) παίρνει τιμές που κυμαίνονται από 0 έως 100. Όσο υψηλότερη είναι η τιμή του V-FEI ενός δεδομένου λαδιού, τόσο λιγότερη ενέργεια χάνεται από τις εσωτερικές τριβές και, κατά συνέπεια, τόσο πιο αποδοτικός είναι ο κινητήρας. Ο δείκτης αυτός αποτελεί μία συγκριτική τιμή για τα λιπαντικά μεταξύ τους. Από μετρήσεις που έχουν γίνει φαίνεται πως ο μέσος όρος V-PEI για SAE 0W-20 και 5W- 30 είναι 46 και 47 αντίστοιχα. Δηλαδή, τα λιπαντικά SAE 0W-20 συνεισφέρουν μεγαλύτερη απόδοση καυσίμου στον κινητήρα από ό,τι τα SAE 5W-30 λόγω των διαφορών ιξώδους.
Οι νέες απαιτήσεις της ΕΕ και των ΗΠΑ
Η ευρωπαϊκή νοµοθεσία απαιτεί οι µέσες εκποµπές CO2 του στόλου των νέων αυτοκινήτων που θα ταξινοµηθούν το 2025 να είναι 15% χαµηλότερες από τα επίπεδα του 2021. Για να ανταποκριθούν σε αυτές τις απαιτήσεις, οι κατασκευαστές υιοθετούν λάδια µε όλο και χαµηλότερο ιξώδες. Ήδη, τα λάδια SAE 0W-20 χρησιµοποιούνται, πλέον, ως η συνηθέστερη εργοστασιακή επιλογή πλήρωσης για πολλούς κινητήρες. Επιπλέον, πολλοί κατασκευαστές υιοθετούν αυστηρότερο πρόγραµµα συντήρησης, απαιτώντας την ίδια προδιαγραφή λαδιού κινητήρα και την ίδια κατηγορία ιξώδους για όλη τη διάρκεια ζωής του αυτοκινήτου. Στην αντίπερα του Ατλαντικού, η Υπηρεσία Προστασίας του Περιβάλλοντος των Ηνωµένων Πολιτειών (EPA – Environmental Protection Agency) ανακοίνωσε, πρόσφατα, νέους αυστηρούς κανόνες εκποµπών για αυτοκίνητα που θα κατασκευαστούν την περίοδο 2027-2032. Αυτός είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους παρουσιάζεται η προδιαγραφή ILSAC GF-7, διάδοχος του ILSAC GF-6, που έλαβε την πρώτη άδεια χρήσης το 2020.
Το ILSAC GF-7 περιλαμβάνει σημαντικές βελτιώσεις σε ευρύ φάσμα χαρακτηριστικών συμπεριλαμβανομένων των εξής:
- Βελτιωμένη καθαριότητα εμβόλου
- Μειωμένη κατανάλωση καυσίμου
- Προστασία από προανάφλεξη στις χαμηλές στροφές (LSPI)
- Συμβατότητα με νέα ελαστομερή υλικά στεγανοποίησης.
- Μείωση της φθοράς της αλυσίδας χρονισμού
- Όρια ζελατινοποίησης
- Προστασία φίλτρων σωματιδίων βενζίνης (GPF)
Συµπεράσµατα
Οι σύγχρονοι κινητήρες απαιτούν όλο και περισσότερα από το λάδι του κινητήρα, γι’ αυτό η αυτοκινητοβιομηχανία επενδύει πολλά σε αυτόν τον τομέα. Για παράδειγμα, οι κινητήρες των υβριδικών αυτοκινήτων έχουν κάποιες ειδικές απαιτήσεις όσον αφορά το λάδι. Σε αυτούς τους κινητήρες δεν είναι σπάνιο να χρειαστεί να λειτουργήσουν σε υψηλές στροφές ενώ ο κινητήρας είναι κρύος.
Οι κατασκευαστές θέλουν τον κινητήρα σε λειτουργία στη µέγιστη απόδοση, βελτιώνοντας, παράλληλα, την οικονοµία καυσίµου.
Πριν από μια δεκαετία, οι χαμηλότεροι βαθμοί ιξώδους κατά SAE ήταν τα λάδια SAE 0W-20 και 5W-20 με το SAE 20 να έχει ελάχιστο ιξώδες υψηλής ταχύτητας και διάτμησης 2,60 cP (centiPoise) στους 150°C. Σήμερα, έχουμε τρία νέα λάδια κατά SAE: SAE 16 (2,30 cP ελάχιστο στους 150°C), SAE 12 (2,00 cP ελάχιστο στους 150°C) και SAE 8 (1,70 cP ελάχιστο στους 150°C). Δεδομένου ότι το ιξώδες σχετίζεται άμεσα με την ποσότητα ενέργειας που δαπανάται από τον κινητήρα για προστασία από τη φθορά με υδροδυναμική λίπανση, αυτή η μείωση του ιξώδους αναμένεται να έχει σημαντικά οφέλη στην κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπές ρύπων, αλλά μόνο για κινητήρες κατάλληλα σχεδιασμένους για τέτοιες προδιαγραφές λιπαντικών. Οι προσδοκίες αντοχής σε παλαιότερους κινητήρες που δεν είναι κατασκευασμένοι για αυτά τα λιπαντικά είναι περιορισμένες. Ο κατασκευαστής του αυτοκινήτου έχει καθορίσει ποιο πρέπει να είναι το σωστό ιξώδες για ένα συγκεκριμένο αυτοκίνητο. Η παρέκκλιση από αυτές τις τιμές δημιουργεί μεγάλο κίνδυνο ζημιών.
Η χρήση πιο λεπτόρευστου λαδιού από εκείνο που ορίζει ο κατασκευαστής, οδηγεί σε πρόωρη φθορά των εδράνων, των εκκεντροφόρων, των ελατηρίων των εμβόλων και των κυλινδροχιτωνίων. Από την άλλη πλευρά, η χρήση πιο παχύρευστου λαδιού έχει, μεταξύ άλλων, αρνητική επίδραση στην υδραυλική λειτουργία του μεταβλητού χρονισμού βαλβίδων, αυξημένη κατανάλωση καυσίμου και περισσότερες αποθέσεις αιθάλης, πράγμα που σημαίνει προβλήματα με την ανακυκλοφορία καυσαερίων και αυξημένη φθορά σε καταλύτη και φίλτρο σωματιδίων.
