DE102005041909A1

DE102005041909A1 - Verwendung eines Schmiermittels auf der Basis von Glykolen für Maschinen, bei deren Funktion zwangsläufig ein Wassereintrag erfolgt

Info

Publication number: DE102005041909A1
Application number: DE102005041909A
Authority: DE
Inventors: Mathias Dr. Woydt
Original assignee: TEA GmbH; TEA GmbH Technologiezentrum Emissionsfreie Antriebe
Current assignee: TEA GmbH; TEA GmbH Technologiezentrum Emissionsfreie Antriebe
Priority date: 2005-09-03
Filing date: 2005-09-03
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2025-09-04
Also published as: DE102005041909B4

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Schmiermittels auf der Basis von Glykolen, bei dessen Funktion zwangsläufig ein Wassereintrag erfolgt. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, biologisch abbaubare und untoxische Schmiermittel auf der Basis von Glykolen zu finden, die sich für eine Verwendung in Dampfkraftmaschinen, für mit Wasserstoff betriebenen Motoren und für mittels Wasser geschmierte Maschinen eignen, bei deren Umfeld zwangsläufig ein Wassereintrag aus den Arbeits- bzw. Verbrennungsräumen erfolgt. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Verwendung eines Schmiermitttels auf der Basis von Glykolen bzw. Mischungen unterschiedlicher Glykole vorgeschlagen, welches vollständig oder bei dem ein Anteil aus einem Glycerin gestarteten Polyglyko mit drei Kettenarmen aus 100% Ethylenoxid und OH-Endgruppen (Triole) mit einer mittleren Mol-Masse Mw zwischen 360 und 1000 g/mol besteht.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Schmiermittels auf der Basis von Glykolen für Dampfkraftmaschinen, für mit Wasserstoff betriebene Motoren und für mit Wasser beaufschlagte Maschinen, bei deren Funktion zwangsläufig ein Wassereintrag in den Schmiermittelkreislauf erfolgt.
Allgemein vorbekannt ist es, Glykole und Polyglykole für Schmierzwecke anzuwenden. Polyglykole weisen ein günstiges Viskositäts-Temperatur-Verhalten, bei hohen Schergefällen eine hohe Scherstabilität und gutes Schmierverhalten sowie Verschleißschutz und Hochdruckeigenschaften bei Misch- und Grenzreibungszuständen auf. Bei thermischer Belastung zersetzen sie sich erst oberhalb 260°C, je nach Molekülstruktur und ohne Additive, ohne dabei Rückstände zu bilden. Durch Zusätze kann eine Beständigkeit gegen Oxidation erzielt werden.
Angewandt werden vorzugsweise die flüssigen Polyethylenglykole mit einer molaren Masse von 200–400 g/mol, die wasserlöslich, biologisch schnell abbaubar, physiologisch unbedenklich und hautverträglich sind.
Allgemein vorbekannt ist es auch, aus Polyalkylenglykolen, einer Mischung von Ethylen- und Propylenglykolen, synthetische Schmiermittel herzustellen.

In der Schrift DE 196 47 554 A1 sind derartige Mischungen mit einer molaren Masse von 300–700 g/mol und erfindungsgemäßem Zusatz von einer Reihe von Additiven in der Größenordnung < 5 Gew.-% als Dauerschmierstoff und Dauerkühlmittel für Verbrennungsmotoren beschrieben. Das Gewichtsverhältnis zwischen Ethylen- und Propylenglykol kann zwischen 30 und 70% und 70 und 30% betragen.

Die beschriebenen Mischungen weisen eine gute Wärmeübertragung, biologische Abbaubarkeit, keine Anteile von Schwermetallen und eine rauch- und rußfreie Verbrennung bei Verschleppung in Brennräumen auf.

Vorbekannt ist durch die Schrift DE 100 49 275 A1 die Verwendung von auf der Basis von Wasser und/oder Glykol bzw. Glykolen oder Tocopherol gebildeten Grundflüssigkeiten als hydrodynamisches Schmier- und Kühlmittel für Gleitlager in geschlossenen Triebwerkssystemen von Heißdampfmotoren bzw. bei geschlossenen Tribosystemen, welche bis zu 5 Gew.-% Natrium- oder Ammoniumsalz der Polyasparaginsäure aufweisen.

Die Grundflüssigkeit kann dabei auf der Basis von 50 bis 100-Gew.-% Polyethylenglykol mit einer molaren Masse größer 200 g/mol oder einer Mischung von Polyethylen- oder Polyalkylenglykole mit einer molaren Masse kleiner als 3.000 g/mol oder von 1.2 Monopropylenglykol bzw. Triethylenglykol gebildet sein.

Derartige Funktionsflüssigkeiten sind bei Sumpftemperaturen von höher als 120° C, z. B. in der Schmierstoffwanne unter einem Kurbeltrieb, und selbst bei Wassereintrag ohne wesentliche Funktionseinbußen verwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, biologisch abbaubare und untoxische Schmiermittel auf der Basis von Glykolen zu finden, die sich für eine Anwendung in Dampfkraftmaschinen, für mit Wasserstoff betriebene Motoren und für mittels Wasser geschmierte Maschinen eignen, bei deren Umlauf zwangsläufig ein Wassereintrag aus den Arbeits- bzw. Verbrennungsräumen erfolgt.

Derartige zwangsläufig mit Wasser verdünnte Schmiermittel müssen bis zu ihrer Siedetemperatur von 105 bis ca. 112°C bei 1 bar einen genügenden Druck-Viskositätskoeffizient α aufweisen, um funktionsfähig zu bleiben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Verwendung eines Schmiermittels erreicht, welches vollständig oder zu einem hohen Anteil aus einem Glycerin gestarteten Polyglykol mit drei Kettenarmen aus 100% Ethylenoxid und OH-Endgruppen (Triole) besteht, welches voll wasserlöslich ist, wobei das Schmiermittel eine mittlere Mol-Masse Mw zwischen 360 und 1.000 g/mol aufweist.

Das erfindungsgemäß angewandte Polyglykol weist neben guten schmiertechnischen Eigenschaften auch einen wirtschaftlichen Vorteil auf, der darin besteht, dass es Glycerin gestartet ist und damit ein Anteil bis zu ca. 30 mol-% des EO-Triols aus ökologisch nachwachsenden Rohstoffen herstellbar ist.

Das erfindungsgemäß verwendete und vorhergehend definierte Polyglykol wird beispielsweise von der Firma BASF im Inland unter dem Handelsnamen „Lupranol" mit der Bezeichnung VS9209" vertrieben. Es wird vornehmlich bei der Herstellung von Kunststoffen genutzt. Empfehlungen oder Hinweise auf die Anwendung als Schmiermittel sind nicht bekannt.

Anhängende Tabelle enthält Werte viskosimetrischer und thermophysikalischer Eigenschaften unterschiedlicher Schmiermittel.

Die Werte in

– den Zeilen 1 und 2 betreffen zwei Serien-Leichtlaufmotorenöle (Renault ELX MX 1260 und FUCHS Titan SL PCX) auf Basis von Kohlenwasserstoffen, welche gemäß gängiger OEM-Werksnormen bis 150°C einsetzbar sind. Diese Motorenöle sind nicht tolerant gegen einen höheren Wassereintrag, sie müssen bei einem Wassergehalt von >1–2 Gew.-% gewechselt werden, sonst besteht die Gefahr von Kavitation, besonders in den Kurbelwellengleitlagern.
– Zeile 3 betreffen Polyglykole gemäß DE 196 47 554 A1 . Es sind die bereits beschriebenen Polyglykol-Mischungen aus Ethylen- und Propylenoxid, welche bis 5 Gew.-% Additive aufweisen können.
– Zeile 4 betreffen ein im erfindungsgemäßen Zusammenhang vorgeschlagenes EO-Triol, ein Polyglykol mit drei Kettenarmen aus 100% Ethylenoxid und OH-Endgruppen (Triole).
– Zeile 5 betreffen das unter dem Handelsnamen „Lupranol VS9209" vertriebene Polyglykol mit drei Kettenarmen aus 100% Ethylenoxid und OH-Endgruppen (Triole), das in den Formulierungen gemäß der Zeilen 11 und 12 eingesetzt wurde.
– Zeile 6 betreffen ein Polyglykol PAG 46-4 auf der Basis von Polyalkylenglykol.
– Zeile 7 betreffen ein Polyglykol PPG 32-2 auf der Basis von Polypropylenglykolmonobutylether. Es entspricht dem Produkt „GH6-32" der KLÜBER Lubrication KG und ist zur Verbesserung der Beständigkeit gegen Oxidation mit speziellen Additiven versehen, ohne seine Bio-no-tox-Eigenschaften zu verlieren.
– Zeile 8 betreffen ein bereits in DE 100 49 275 A1 genanntes Polyglykol PAS 8 auf der Basis von an sich festem Polyethylenglykol mit einer Mol-Masse von 3.350 g/mol, welches jedoch 50 Gew.-% Wasser gelöst enthält und deshalb flüssig ist.
– Zeile 9 betreffen eine bereits in DE 100 49 275 A1 genannte, wasserfreie Mischung unterschiedlicher Glykole bestehend aus 49,75 Gew.-% eines Triethylenglykoles; 49,75 Gew.-% eines Polyethylenglykols mit 400 g/mol und 0,5 Gew.-% Polyethylenglykol mit 3.350 g/mol, – TEG/PEG/PEG -.
– Zeile 10 betreffen eine Mischung unterschiedlicher Glykole gemäß Zeile 9, jedoch mit einem Wassereintrag von 10 Gew.-%.
– Zeile 11 betreffen eine Mischung unterschiedlicher Glykole gemäß Zeile 9, welcher für die erfindungsgemäße Verwendung 10 Gew.-% des glyceringestarteten Polyglykols mit EO-Triol mit einer Mol-Masse von 490 g/mol zugegeben wurde, – TEG/PEG/PEG/Triol -.
– Zeile 12 betreffen eine Mischung unterschiedlicher Glykole gemäß Zeile 11, jedoch mit einem Wassereintrag von 10 Gew.-%.

Im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Glykolmischungen wird die Unterschiedlichkeit von Triethylenglykol und EO-Triol in Gegenüberstellung genannt:

– Triethylenglykol besteht aus drei Ethylenoxidmonomeren und ist rein aliphatisch.
– EO-Triol ist ein Glycerin gestartetes Polyglykol mit drei Kettenarmen aus 100% Ethylenoxid und OH-Endgruppen (Triole).

Die in den Spalten der anhängenden Tabelle aufgeführten Funktionsparameter sind folgende:

VI: Viskositätsindex, er errechnet sich aus den Viskositäten bei 40°C und 100°C.
η₁₀₀/η₁₅₀: dynamische Viskosität, jeweils bezogen auf die Temperatur 100°C bzw. 150°C.
ν₁₀₀/ν₁₅₀: kinematische Viskosität, jeweils bezogen auf die Temperatur 100°C bzw. 150°C.
α_p: Druck-Viskositätskoeffizient α_p, er ist temperaturabhängig und deckt einen Druckbereich von 1 bar bis 1.001 bar ab, wie er im Schmierspalt von Kurbelwellenlagerungen minimal angenommen werden muss.
ho: Schmierfilmhöhe bei Linienkontakt, sie ist temperaturabhängig und ergibt sich aus: h_o ≅ α^0,6·η^0,7 (nach Dowson & Higginson)

Beim Vergleich der viskosimetrischen Eigenschaften der Schmierstoffe gemäß den Zeilen 8, 10 und 12 ist durch das eingetragene Wasser jeweils ein Abfall dieser Eigenschaften bei 150°C auf quasi 0 festzustellen, vergleiche die jeweiligen Spalten η₁₅₀; ν₁₅₀; α_p und „ho" für jeweils 150°C in der Tabelle. Dies wird durch die niedrigen Siedetemperaturen dieser Glykol/Wasser-Gemische verursacht, welche durch die Wasserzumischung nur zwischen 105°C und maximal bis zu 112°C bei 1 bar betragen.

Für eine erfindungsgemäße Anwendung der Schmiermittel gemäß den Zeilen 10 und 12 müssen deren viskosimetrischen Eigenschaften bei 100°C etwa denen von Serien-Leichtlaufmotorenölen gemäß der Zeilen 1 und 2 bei 150°C vergleichbar sein.

Die Tabelle verdeutlicht, dass die erfindungsgemäß angewandte Formulierung gemäß Zeile 11 – TEG/PEG/PEG/Triol – mit 10 Gew.-% Wassereintrag, siehe Zeile 12, etwa eine ähnliche, hydrodynamische Tragfähigkeit aufweist, wie Serienmotorenöle gemäß der Zeilen 1 und 2 bei 150°C. Vergleiche die Werte in den Spalten η₁₀₀; ν₁₀₀ und „ho" (line) 100°C von Zeile 11 sowie von η₁₅₀; ν₁₅₀ und „ho" (line) 150°C der Zeilen 1 und 2.

Durch die Zugabe von Triol zur Formulierung gemäß Zeile 9 ergibt sich die Formulierung gemäß Zeile 11, es erhöht sich der Viskositätsindex VI von 74 auf 95, d. h. mit ansteigender Temperatur fällt die Viskosität weniger ab. Vergleiche Spalte VI der Zeilen 9 und 11.

Bei der Formulierung mit Triol und einem Eintrag von 10 Gew.-% Wasser gemäß Zeile 12 erhöht sich die relative Schmierfilmhöhe „ho" bei Linienkontakt gegenüber der Formulierung ohne Triol mit einem Eintrag von 10 Gew.-% Wasser gemäß Zeile 10 von 0,62 auf 0,81, vergleiche die Spalte – „ho" (line) 100°C – der Zeilen 10 und 12.

Die vorgenannten Vergleiche zeigen, dass die Formulierung gemäß Zeile 9 durch die Zugabe des EO-Triols, siehe Zeile 11, eine höhere hydrodynamische Tragfähigkeit ohne oder mit Wassereintrag aufweist.

Die Tabelle zeigt weiterhin, dass die erfindungsgemäß angewandte Formulierung ohne Wassereintrag, Zeile 11, eine etwas höhere hydrodynamische Tragfähigkeit bzw. Schmierfilmhöhe „ho" bei 100°C aufweist, wie Serienmotorenöle, Zeile 1 und 2, bei 150°C.

Mit 10 Gew.-% eingetragenem Wasser tritt bei der erfindungsgemäß angewandten Formulierung – Zeile 12 – jedoch ein Abfall der hydrodynamischen Tragfähigkeit bzw. der Schmierfilmhöhe „ho" bei 100°C gegenüber den Serienmotorenölen – Zeile 1 und 2 – auf.

Dieser Abfall der Schmierfilmhöhe „ho" bei 100°C auf einen Wert von 0,81 ist nicht kritisch, weil er mit angepasster Lagerauslegung und Lagergestaltung zu kompensieren ist.

Als vorteilhaft für eine erfindungsgemäße Anwendung wurde die Zusammensetzung eines Schmiermittels nach Anspruch 2 ermittelt, welches

– jeweils mind. 40 Gew.-% eines Triethylenglykols und eines Polyethylenglykols mit 400 g/mol, (zusammen mindestens 80 Gew.-%)
– 0,5 bis 1 Gew.-% Polyethylenglykol mit 3.350 g/mol,
– und ergänzend zu 100 Gew.-% eine Beimengung von Polyglykol mit drei Kettenarmen aus 100% Ethylenoxid und OH-Endgruppen (Triole) mit einer Mol-Masse Mw zwischen 360 und 1.000 g/mol aufweist.

Siehe in diesem Zusammenhang die Zeilen 11 und 12 der Tabelle und die zugehörigen Erläuterungen.
Bei der erfindungsgemäßen Verwendung des vorbeschriebenen Schmiermittels kann zur Verbesserung der Hochdruckeigenschaften unter Misch- bzw. Grenzreibungsbedingungen ein Zusatz von bis zu 5 Gew.-% Natrium- oder Ammoniumsalz der Polyasparaginsäure mit einer Mol-Masse von größer als 1.000 bis 10.000 g/mol erfolgen.

Claims

Verwendung eines Schmiermittels auf der Basis von Glykolen für Dampfkraftmaschinen, für mit Wasserstoff betriebene Motoren und für mit Wasser beaufschlagte Maschinen, bei deren Funktion zwangsläufig ein Wassereintrag in den Schmiermittelkreislauf erfolgt, welches vollständig oder bei dem ein Anteil aus einem Glycerin gestarteten Polyglykol mit Kettenarmen aus 100% Ethylenoxid und OH-Endgruppen (Triole) mit einer mittleren Mol-Masse Mw des Schmiermittels zwischen 360 und 1.000 g/mol besteht.
Verwendung eines Schmiermittels nach Anspruch 1, wobei das Schmiermittel folgende Zusammensetzung aufweist: – jeweils mind. 40 Gew.-% eines Triethylenglykols und eines Polyethylenglykols mit einer molaren Masse von 400 g/mol, – 0,5 bis 1 Gew.-% Polyethylenglykol mit 3.350 g/mol – ergänzend zu 100 Gew.-% eine Beimengung aus Polyglykol mit Kettenarmen aus 100% Ethylenoxid und OH-Endgruppen (Triole) enthält, wobei das Schmiermittel eine mittleren Mol-Masse Mw zwischen 360 und 1.000 g/mol aufweist.
Verwendung von Schmiermitteln nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Zusatz von bis zu 5 Gew.-% Polyasparaginsäure mit einer Mol-Masse größer als 1.000 bis 10.000 g/mol.