DE3832419A1

DE3832419A1 - Schmiermittel auf schmieroelbasis zum schmieren von rotierenden und/oder gleitenden oberflaechen

Info

Publication number: DE3832419A1
Application number: DE3832419A
Authority: DE
Inventors: Jozsef Dr Harsanyi; Laszlo Kohanyi; Karoly Dr Domsa; Lajos Dr Szakas; Geza Dr Szentgyoergyi; Aladar Imre
Original assignee: IPARI FEJLESZTESI BANK RT
Current assignee: IPARI FEJLESZTESI BANK RT
Priority date: 1988-05-31
Filing date: 1988-09-23
Publication date: 1990-03-29
Also published as: FR2632319A1; US4927549A; GB2219305A; GB8812831D0

Description

Die Erfindung betrifft neue Schmiermittel auf Schmierölbasis zum Schmieren von rotierenden und/oder gleitenden Oberflächen.

Bekanntlich werden zum Schmieren von Innenverbrennungsmotoren und rotierenden und/oder gleitenden Maschinenelementen Schmieröle, die eine entsprechende Schmierfähigkeit im gewünschten Temperaturbereich gewährleisten, verwendet.

Beim Schmieren mit den bekannten Motorölen ist im inneren Verbrennungsmotor für die 5 bis 20 µm dicke Ölfilm-Grenzschicht zwischen den aufeinander gleitenden Oberflächen auf Grund der geringen Rauhigkeit der Metalloberflächen die Turbulenzströmung charakteristisch. Ein Mittel zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Motoren besteht also darin, daß in der Schmierölschicht der Turbulenzcharakter in die laminare Richtung gelenkt wird, beispielsweise durch Zusätze (Graue und Lückenath: Schmiertechnik 2 [1985], 71).

Um die Schmiereigenschaften der Schmieröle sowie ferner ihre Lebensdauer zu verbessern, werden ihnen verschiedene Zusatzstoffe zugesetzt. So enthalten die üblichen Schmieröle als Zusatzstoffe auch Detergenzien, Antioxydationsmittel, korrosionshemmende Zusätze, verschleiß- und reibungsverringernde Zusätze, den Erstarrungspunkt herabsetzende Zusätze und das Schäumen hemmende Zusätze.

Ferner sind Zusatzstoffe, die das Schmieren der Reibungsflächen auch unter extremen Betriebsbedingungen, zum Beispiel beim Kaltstarten, gewährleisten, bekannt. Ein solcher Zusatz ist beispielsweise das Molybdändisulfid, welches fest ist, jedoch als weicher Schmierstoff die Reibung verringert.

Im allgemeinen besteht jedoch eine andere, ebenso vorrangige Anforderung an die Schmieröle darin, daß sie keine festen Schmutzstoffe enthalen dürfen (Seifert und Wertcott: Wear 21, No. 1 [1979], 47 bis 52).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem Aufwand verbundene Schmierstoffe, die einerseits den Verschleiß von rotierenden und/oder gleitenden Oberflächen verringern und andererseits in inneren Verbrennungsmotoren den Wirkungsgrad der Verbrennung erhöhen, zu schaffen.

Das Obige wurde überraschenderweise durch die Erfindung erreicht.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Feststellung, daß dies mit Schmiermitteln, die neben üblichen Schmierölbestandteilen Aluminiumoxyd mit Teilchengrößen unter 4 µm enthalten, uneingeschränkt erreicht kann.

Ferner beruht die Erfindung auf der überraschenden Feststellung, daß, während unbedingt das Weglassen der größeren festen Teilchen zum Ausschalten ihrer schädlichen verschleißenden Wirkung notwendig ist, durch das Einführen von wärme- und verschleißbeständigen Teilchen mit Größen von 0,1 bis 4 µm und einer hohen Härte der bei den Maschinen und Motoren auftretende Reibungsenergieverlust verringert werden kann. Es wurde nämlich festgestellt, daß die festen Teilchen, die kleiner als 4 µm sind, keine Schleifwirkung mehr ausüben, sondern die bei der Reibung der sich relativ zu einander bewegenden Oberflächen immer vorhandenen Oberflächenunebenheiten von einigen µm ausfüllen. Dadurch entstehen eigentlich superfein bearbeitete Oberflächen und, wenn sich diese gegeneinander bewegen, verringert sich im Ölfilm die für die Grenzschicht im übrigen charakteristische Turbulenzströmung, da sich ihr Charakter in Richtung der Laminarströmung verschiebt, so daß der in der Maschine oder im Motor auftretende Reibungswiderstand verringert wird. Außerdem bilden die Teilchen unter 4 µm, besondert ausgeprägt unter 1 µm, auch eine Art Schmierfilm auf den Oberflächen. Durch all diese Tatsachen erhöht sich der innere mechanische Wirkunsgrad der Maschine beziehungsweise des Motors und der Betriebsstoffverbrauch sinkt um 4 bis 8%.

Infolge der geringeren Reibung erhöht sich auch die Lebensdauer der Maschine.

Wie bereits gesagt, ist es eine allgemein anerkannte Regel, daß beim Inbetriebhalten von Maschinen und inneren Verbrennungsmotoren es verhindert werden muß, daß feste Teilchen in das Öl gelangen, da diese einen stärkeren Verschleiß der Maschine bewirken. Deshalb werden während des Betriebes die schwebenden Teilchen aus dem Öl ständig mittels eines Ölfilters entfernt. (Die Ölfilter sind im allgemeinen zum Herausfiltern von festen Teilchen mit Größen über 5 bis 10 µm geeignet.) Für den Fachmann ist es daher überraschend, daß durch die Gegenwart von festen, wärme- und verschleißbeständigen Teilchen mit Größen von 0,1 bis 4 µm im Schmieröl eine Verringerung des Verschleißes beziehungsweise des Betriebsstoffverbrauches erreicht werden kann.

Schließlich beruht die Erfindung auf der überraschenden Feststellung, daß das Aluminiumoxyd (Al₂O₃) im Falle von inneren Verbrennungsmotoren nicht nur die oben genannte "superfein bearbeitende" Wirkung ausübt, sondern auch überraschenderweise die Kohlenoxydverbrennung katalysiert und dadurch den Wirkungsgrad der im Motor stattfindenden Verbrennung verbessert und den CO-Gehalt der Auspuffgase senkt.

Gegenstand der Erfindung sind daher Schmiermittel auf Schmierölbasis zum Schmieren von rotierenden und/oder gleitenden Oberflächen mit einem Gehalt an üblichen Schmierölbestandteilen, welche dadurch gekennzeichnet sind, daß sie auch 0,01 bis 0,3 g/l Aluminiumoxydpulver mit Teilchengröße von 0,1bis 4 µm enthalten.

Dieser Teilchengrößenbereich ist so zu verstehen, daß alle Teilchengrößen innerhalb desselben liegen müssen.

Die Teilchengrößen wurden nach den folgenden 2 Verfahren bestimmt:

a) mit einer Sartorius-Waage und
b) mit einem VIDMET-Bildanalysator.

Die Ergebnisse beider Verfahren lagen in guter Übereinstimmung miteinander. Eine nach dem Verfahren b) bestimmte beispielhafte kumulative Massenverteilung der Teilchengrößen war wie folgt:

Durchmesser
Gew.-%
0,225
99,88
0,475	98,66
0,725	98,10
0,975	94,13
1,225	87,01
1,475	76,84
1,725	64,55
1,975	51,50
2,225	39,02
2,475	28,10
2,725	18,27
2,875	12,59
3,225	7,85
3,475	4,67
3,725	2,63
3,975	1,42
4,225	0,7
4,475	0,3
4,725	0,09
4,875	0,00

Zahl der Teilchen: 1,806;
Mittlerer Durchmesser: 2 µm;
Gewichtsmäßiger (weighted) Durchschnittsdurchmesser: 2,1 µm;
Zahl der Meßfelder: 15;
Vergrößerung: 2400.

Vorzugszweise enthalten die erfindungsgemäßen Schmiermittel als Aluminiumoxydpulver ein solches mit Teilchengrößen von 0,2 bis 2,5 µm. Besonders bevorzugt enthalten die erfindungsgemäßen Schmiermittel als Aluminiumoxydpulver ein solches mit Teilchengrößen unter 1 µm.

Es ist auch bevorzugt, daß die erfindungsgemäßen Schmiermittel das Aluminiumoxydpulver in Mengenanteilen von 0,02 bis 0,2 g/l enthalten.

Das in den erfindungsgemäßen Schmiermitteln enthaltene Aluminiumoxydpulver kann innerhalb des festgelegten Teilchengrößenbereiches sehr verschiedene spezifische Oberflächen haben. So können diese beispielsweise den verhältnismäßig niedrigen Wert von 1 m²/g und andererseits Werte von sogar bis 200 m²/s aufweisen. Bei der obigen beispielhaften Teilchengrößenverteilung wurde ein Wert der spezifischen Oberfläche von 4,2±0,3 m²/6 gemessen. Die Messungen der spezifischen Oberfläche erfolgten nach dem BET-Stickstoffgasadsorptionsverfahren nach vorherigem Aktivieren der Proben in einem Raum bei einer Temperatur von 400°C und unter einem Druck von 10^-1 Pa mit Bestimmung der zur einmolekularen Bedeckung erforderlichen Stickstoffgasmenge n ^s _m und Berechnung der spezifischen Oberfläche a _s in Kenntnis des Stickstoffadsorbatflächenbedarfes a _m auf Grund der Gleichung a _s = n ^s _m · a _m.

Das in den erfindungsgemäßen Schmiermitteln enthaltene Aluminiumoxydpulver umfaßt nicht nur reine Aluminiumoxydpulver, sondern auch technische mit üblichen Verunreinigungen. Ein solches beispielhaftes technisches Aluminiumoxydpulver enthält 0,043 Gew.-% Fe₂O₃, 0,011 Gew.-% SiO₂, 0,013 Gew.-% TiO₂, 0,025 Gew.-% NiO, 0,007 Gew.-% Cr₂O₃, 0,001 Gew.-% Mn₂O₃, 0,001 Gew.-% Na₂O, 0,001 Gew.-% CaO, 0,007 Gew.-% MgO und 0,113 Gew.-% AlCl₃. Es kann natürlich auch darunter liegende Mengenanteile jeweils bis hinunter zu Null, jedoch auch darüber liegende im Rahmen der bei technischen Aluminiumoxyden üblichen enthalten. Ferner kann das in den erfindungsgemäßen Schmiermitteln enthaltene Aluminiumoxydpulver verschiedene Al₂O₃-Modifikationen enthalten. Vorteilhaft enthält es die γ- und α-Al₂O₃-Modifikationen, vorzugsweise überwiegend die erstere, insbesondere mindestens 95 Gew.-% derselben.

In den erfindungsgemäßen Schmiermitteln können als übliche Schmierölbestandteile übliche Schmieröle, zum Beispiel Solventdestillate und entparaffinierte Destillate von Spindelöl, Maschinenöl, Hydrauliköl sowie raffinierte synthetische Schmieröle, enthalten sein.

Die erfindungsgemäßen Schmiermittel können in der Weise hergestellt werden, daß einem üblichen Schmieröl das Aluminiumoxydpulver zugemischt wird. Das Aluminiumoxyd kann zum Schmieröl getrennt oder zusammen mit üblichen Zusatzstoffen zugegeben werden.

Die Konsistenz des Schmiermittels, das Volumen/Oberflächen-Verhältnis und die Oberflächenspannung der festen Aluminiumoxydteilchen verhindern das Absetzen der Teilchen und die Teilchen werden wegen ihrer Größe vom Ölfilter nicht herausfiltriert.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Schmiermittel bewirkt bei Motoren eine Betriebsstoffeinsparung von 4 bis 8%. Darüber hinaus erhöht sich auch die Lebensdauer der inneren Verbrennungsmotoren infolge des geringeren Verschleißes und auch der Ölverbrauch ist verringert.

Ein wichtiger Faktor vom Gesichtspunkt des Umweltschutzes ist die Senkung des CO-Gehaltes der Auspuffgase durch die erfindungsgemäßen Schmiermittel.

Die erfindungsgemäßen Schmiermittel können auf den folgenden Gebieten vorteilhaft verwendet werden:

a) Bei inneren Verbrennungsmotoren (Otto- und Diesel-Motoren), da sie deren Verbrauch senken und ihre Lebensdauer erhöhen.
b) In Zahnradgetrieben (Schaltgetrieben, Differentialgetrieben und Industriegetrieben, da sie deren Wirkungsgrad verbessern.
c) Beim Walzen von Metallen, Rollen und Drahtziehen, da sie dabei den Energiebedarf herabsetzen.

Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Es wurde zu 3,75 l Multisuper-Motorenöl 0,03 g vorher völlig getrocknetes Aluminiumoxyd mit Teilchengrößen von 0,1 bis 1,0 µm zugegeben. Dann wurde eine homogene Suspension dieses Gemisches durch mechanisches Rühren hergestellt und das gewonnene Öl beim Ölwechsel in den Viertaktmotor vom Otto-Typ mit vier 1200 ml Zylindern eines 2 Jahre alten PKW vom Typ Lada 1200 gefüllt. Das Fahrzeug erreichte mit 4 Personen und einer Geschwindigkeit von 85 km/hauf ebener Straße und bei Windstille einen spezifischen Benzinverbrauch von 5,8 bis 6,2 l/100 km. Vorher unter den gleichen Bedingungen, aber mit Motorenöl ohne Aluminiumoxydzusatz, betrug der spezifische Benzinverbrauch 6,8 bis 7,5 l/100 km.

Das untersuchte Fahrzeug lief 1 Jahr lang 12 000 km auf verschiedenen Straßen und unter verschiedener Belastung ohne Ölwechsel. Die jährliche Betriebsstoffeinsparung betrug 5,6%, bezogen auf den Durchschnitt der ersten 2 Jahre.

Beim Ölwechsel nach der 1jährigen Laufzeit waren die aus der Ölwanne abgesaugten 100 ml Motorenöl eine braune, leicht getrübte Flüssigkeit. Nach 5tägigem Absetzenlassen setzte sich daraus eine dünne, weiße Schicht ab, die sich beim Aufschütteln sofort auflöste. Die auf die gelaufenen 12 000 km verbrauchte Ölmenge betrug etwa 0,4 l.

Es ist also festzustellen, daß das erfindungsgemäße Schmiermittel auch große wirtschaftliche Vorteile gewährleistet.

Ähnlich gute Ergebnisse sind auch mit Aluminiumoxyd mit Teilchengrößen von 0,1 bis 4,0 µm zu erzielen.

Beispiel 2

Der Zusatz von Aluminiumoxyd verändert die sich in der Nähe von festen Oberflächen abspielende Reibung. Deshalb wurden Versuche so zusammengestellt, daß sich während der Prüfungen auf den Reibungsflächen ein gemischter Reibungszustand herausbildete. Die Prüfungen wurden mit einem Vierkugelapparat SETA-SHELL (DIN 51 350) mit 3 verschiedenen Belastungen durchgeführt, wobei das im Beispiel 1 angegebene Aluminiumoxyd verwendet wurde.

Bei der Auswertung der Prüfergebnisse erhöhte sich im Vergleich zum Basisöl die für den Beginn des Einfräsens charakteristische Belastung bedeutend, sie hatte bei der Aluminiumoxyd-Konzentration von 0,2 g/l ein Maximum, entsprechend einer Steigerung von 65%.

Bei allen 3 Belastungen konnte die reibungsverringernde Wirkung des festen Aluminiumoxydzusatzes nachgewiesen werden: Sie betrug 7 bis 25%.

Beispiel 3

Vergleichende Versuche wurden mit dem erfindungsgemäßen Schmiermittel des Beispiels 1 auch an der Reibungs- und Verschleißprüfungs-Maschine TIMKEN (ASTM D-2882) durchgeführt. Hierbei wurde festgestellt, daß sich der Reibungsfaktor gegenüber dem Basisöl um etwa 7% verringerte, wobei gleichzeitig sich auch der Ringverschleiß bedeutend verringerte, die Breite des Verschleißes und die Verschleißspur des Probekörpers blieben aber praktisch unverändert.

Beispiel 4

Es wurde Multisuper-Öl nach dem Einfüllen in einen Motor vom Typ Lada 1200 nach Beispiel 1 am Bremsstand überprüft, wobei der Aluminiumoxydzusatz des Beispiels 1 in einer Konzentration von 0,2 g/l verwendet wurde. Bei den Vergleichsmessungen wurde festgestellt, daß die erreichbare Betriebsstoffeinsparung durchschnittlich 5 bis 7% betrug, im Übergangs-Belastungsbereich des Motors wurde sogar eine Einsparung von 11% gemessen.

Beispiel 5

Es wurden vergleichende Untersuchungen mit Multisuper-Schmieröl, dem das Aluminiumoxyd in einer Konzentration von 0,02 g/l zugesetzt worden ist, an einem Versuchsmotor PETTER WI (IP 176/69, 144stündiger AGIP Test) vorgenommen. Der Teilchengröße des verwendeten Aluminiumoxydes betrug 0,1 bis 2,5 µm. Es wurde beobachtet, daß sich der Ölverbrauch gegenüber dem Vergleichsöl ohne Aluminiumoxydzusatz nicht veränderte. Ebenso unwesentlich war die Abweichung in bezug auf den Verschleiß von Zylinderring und Antriebskurbellager, jedoch lag das Maß des Leistungsanstieges bei 4 bis 7% mit einem Durchschnitt von 5,5%. Außerdem wurde eine Vergleichsanalyse den CO- Gehalt der Auspuffgase betreffend durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, daß die CO-Emission eindeutig sank, und zwar um 10 bis 30%.

Claims

1. Schmiermittel auf Schmierölbasis zum Schmieren von rotierenden und/oder gleitenden Oberflächen mit einem Gehalt an üblichen Schmierölbestandteilen, dadurch gekennzeichnet, daß sie auch 0,01 bis 0,3 g/l Aluminiumoxydpulver mit Teilchengrößen von 0,1 bis 4 µm enthalten.

2. Schmiermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Aluminiumoxydpulver ein solches mit Teilchengrößen von 0,2 bis 2,5 µm enthalten.

3. Schmiermittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie das Aluminiumoxydpulver in Mengenanteilen von 0,02 bis 0,2 g/l enthalten.