DE102006046924A1

DE102006046924A1 - Motorschmierflüssigkeit, ihre Verwendung in einem Motor und mit der Motorschmierflüssigkeit gebildeter Motorfluidkreislauf

Info

Publication number: DE102006046924A1
Application number: DE102006046924A
Authority: DE
Inventors: Müfit Prof. Dr. Bahadir; Hubertus Dr. Wichmann; Torsten Suhlke
Original assignee: Technische Universitaet Braunschweig
Current assignee: Technische Universitaet Braunschweig
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2026-09-30
Also published as: DE102006046924B4

Abstract

Eine erfindungsgemäße Motorschmierflüssigkeit enthält wenigstens einen in Wasser vollständig gelösten mehrwertigen Alkohol mit wenigstens 3 C-Atomen, dessen Lösung in Wasser unter Normaldruck und im Temperaturbereich von -20°C bis +110°C flüssig bleibt, und wenigstens ein wenigstens gegen Säure pufferndes und einen pH-Wert > 6 gewährleistendes Puffersystem. Die erfindungsgemäße Motorschmierflüssigkeit lässt sich sowohl zur Schmierung als auch zur Kühlung eines Kraftfahrzeugmotors verwenden. Ein Motorfluidkreislauf, in dem die Motorschmierflüssigkeit umgepumpt wird, kann daher als Schmier- und Kühlkreislauf für den Motor ausgebildet sein.

Description

Die Erfindung betrifft eine Motorschmierflüssigkeit, insbesondere für einen Kraftfahrzeugmotor. Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung der Motorschmierflüssigkeit und einen mit der Motorschmierflüssigkeit ausgebildeten Motorfluidkreislauf.
Ein Haupt-Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung betrifft eine Motorschmierflüssigkeit für Lastkraftwagen (LKW).
Insbesondere für leistungsstarke und gegebenenfalls hochtourig laufende Motoren ist die Verringerung der Reibung im Motor, insbesondere zwischen Kolben und Zylinder des Motors von erheblicher Bedeutung. Daher sind die Motoren mit einem Motoröl-Kreislauf ausgestattet, in dem ein durch Mineralöle oder synthetische Öle gebildetes Motoröl umgepumpt wird, sodass es aufeinander gleitenden Motorteilen, insbesondere Zylinder und Kolben, einen zusammenhängenden Flüssigkeitsfilm ausbildet, der die metallische Reibung zwischen den Motorteilen verringert und so ein Heißlaufen des Motors und einen vorzeitigen Verschleiß der betreffenden Motorteile verhindert. Die im Gebrauch befindlichen Motoröle sind teilweise als Hochleistungs-Motoröle ausgebildet und enthalten ausgeklügelte Systeme von zahlreichen Additiven, mit denen insbesondere die Korrosion der Motorteile durch Reaktionsprodukte unterdrückt wird.
Die im Gebrauch befindlichen Kraftfahrzeugmotoren werden üblicherweise wassergekühlt betrieben. Das Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs enthält daher zusätzlich einen (regelmäßig geschlossen ausgebildeten) Kühlwasserkreislauf für den Motor. Die Verwendung von Kühlwasser bietet den Vorteil, dass Wasser eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Wärmekapazität aufweist und darüber hinaus preisgünstig ist. Das Problem des Kühlwassers besteht jedoch darin, dass das Kühlwasser bei Außentemperaturen unter 0 °C durch Gefrieren seine Funktion verlieren würde. Daher werden dem Kühlwasser Additive zugegeben, die für eine ausreichende Erniedrigung des Gefrierpunktes des Kühlwassers sorgen. Als geeignete „Frostschutzmittel" wurde zunächst Glycerin (1,2,3-Propantriol), später dann Glykole, wie Ethylenglykol (1,2-Ethandiol) und Propylenglykol (1,2-Propandiol) verwendet. Als weitere Additive werden Korrosionsinhibitoren, wie insbesondere Borax, Borsäure-Alkanolaminester und Phosphate, eingesetzt.
Die beiden Motorfluidkreisläufe, die einerseits zur Schmierung und andererseits zur Kühlung des Motors dienen, müssen sorgfältig voneinander getrennt und abgedichtet werden. Das Eindringen des Kühlfluids in den Motorölkreislauf kann ernste Folgen haben, da durch Ausfällungen von Schmieröladditiven und durch Koagulation dispergierter Verbrennungsrückstände aufgrund des Kühlmittels Verstopfungen im Motoröl-Kreislauf entstehen können, wodurch es zu einer Mangelschmierung kommen kann, die einen vorzeitigen Verschleiß und gegebenenfalls einen Ausfall des Motors nach sich ziehen kann.
Zur Vermeidung dieser Probleme ist versucht worden, zur Kühlung des Motors den Kühlkreislauf mit einem Öl zu betreiben, das mit dem Motoröl verträglicher ist und bei einer Undichtigkeit zwischen den Kreisläufen nicht zu den gravierenden Beeinträchtigungen der Funktion des Motoröls führt. Da das Öl nur eine halb so große Wärmekapazität und nur ein Fünftel der Wärmeleitfähigkeit des Wassers aufweist, lassen sich auf diese Weise mit einer aus Platzgründen möglichst geringen Fluidmenge nicht die erwünschten Kühlleistungen erbringen. Dieser Gesichtspunkt steht auch einer etwaigen Verbindung von Schmier- und Kühlkreislauf entgegen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Motorschmierstoff anzugeben, der die erwähnten Nachteile nicht aufweist.
Die erfindungsgemäße Motorschmierflüssigkeit enthält wenigstens einen in Wasser vollständig gelösten mehrwertigen Alkohol mit wenigstens 3 C-Atomen, dessen Lösung in Wasser unter Normaldruck und im Temperaturbereich von –20°C bis 110°C flüssig bleibt, sowie wenigstens ein wenigstens gegen Säure pufferndes und einen pH-Wert > 6 gewährleistendes Puffersystem.
Die erfindungsgemäße Motorschmierflüssigkeit ist somit nicht auf einer Ölbasis, sondern auf einer Alkoholbasis aufgebaut. Sie enthält für die Erzielung der erforderlichen tribologischen Eigenschaften wenigstens einen in Wasser vollständig gelösten mehrwertigen Alkohol mit wenigstens 3 C-Atomen. Die wenigstens 3 C-Atome werden benötigt, da die C-Atome für die Schmiereigenschaften der Motorschmierflüssigkeit von entscheidender Bedeutung sind. Es hat sich in Versuchen gezeigt, dass in überraschender Weise das erfindungsgemäße alkoholbasierte Motorschmiermittel tribologische Eigenschaften aufweist, die mit denen von Hochleistungs-Motorölen vergleichbar sind.
Um gemäß der vorliegenden Erfindung eine alkoholbasierte Motorschmierflüssigkeit anstelle eines herkömmlichen Motoröls zur Schmierung des Motors verwenden zu können, muss dem durch das Wasser herbeigeführten Korrosionspotential Rechnung getragen werden. Es ist daher wesentlich, dass die erfindungsgemäße Motorschmierflüssigkeit eine Reservealkalität aufweist, die dafür sorgt, dass der pH-Wert der Motorschmierflüssigkeit im basischen Bereich bleibt, da es bekannt ist, dass die Korrosivität der im Motor verwendeten Metalle im sauren Milieu stark ist und mit zunehmender Alkalität abnimmt. Durch den Einsatz eines Puffers gegen Säure, der auf einen pH-Wert im basischen Bereich eingestellt wird, ist darüber hinaus sichergestellt, dass eine Erhöhung der Azidität durch thermische Zersetzungsprodukte usw. während der Einsatzzeit der Motorschmierflüssigkeit nicht eintritt.
Die erfindungsgemäße Motorschmierflüssigkeit ist auch stabil gegen eine mikrobiologische Zersetzung, wozu sowohl die Verwendung der mehrwertigen Alkohole als auch die geeignet gewählten Zusätze beitragen.
Für die erfindungsgemäße Motorschmierflüssigkeit werden als mehrwertige Alkohole insbesondere und bevorzugt 1,2-Propandiol (Propylenglykol) und 1,2,3-Propantriol (Glycerin) verwendet. Beide mehrwertigen Alkohole stehen in ausreichenden Mengen – teilweise im Überangebot – zur Verfügung. So fällt insbesondere Glycerin bei der Herstellung von Bio-Diesel im großen Umfang an und ist daher im Überangebot vorhanden. Ein wesentlicher Vorteil ergibt sich ferner daraus, dass der mehrwertige Alkohol aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt wird, sodass eine Nachhaltigkeit bei der Ersetzung der oft auf begrenzte Ressourcen zurückgreifenden Motoröle in Form von Mineralölen oder Syntheseölen gewährleistet ist.
Die Konzentration des mehrwertigen Alkohols in der Lösung beträgt zwischen 55 und 75 Gew.-%, vorzugsweise 60 bis 70 Gew.-%. Dementsprechend beträgt der Wasseranteil in der Lösung 25 bis 45 %, vorzugsweise 30 bis 40 %.
Als Puffersubstanz enthält die erfindungsgemäße Motorschmierflüssigkeit vorzugsweise Borsäurederivate und/oder puffernde Phosphate, die eine Pufferwirkung sowohl gegen Säure als auch gegen Basen aufweisen. Infrage kommt als Puffersubstanz beispielsweise Borax (Dinatriumtetraborat-Decahydrat-Na₂B₄O₇·10 H₂O) in einer Konzentration zwischen 1 und 5 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 1,5 und 2,5 Gew.-%. Dieser Puffer hat zugleich eine Biozid-Wirkung, verbessert somit die mikrobiologische Haltbarkeit der erfindungsgemäßen Motorschmierflüssigkeit.
Als erfindungsgemäße Puffersubstanz kann ferner alternativ oder ergänzend ein Kaliumphosphat, insbesondere Dikaliumhydrogenphosphat oder Trikaliumphosphat, in einer Konzentration zwischen 3 und 5 Gew.-% enthalten sein.
Als den pH-Wert erhöhender Zusatz, der für eine ausreichende Reservealkalität sorgt, kann insbesondere Triethanolamin (TEA) hinzu gegeben werden, und zwar in einer Konzentration zwischen 1 und 2 Gew.-%.
Die erfindungsgemäße Motorschmierflüssigkeit ermöglicht unproblematisch die Schmierung und die Kühlung des Motors in einem einzigen Flüssigkeitskreislauf, sodass die getrennten Kreisläufe für die Schmierung einerseits und für die Kühlung andererseits nicht mehr benötigt werden. Demzufolge lässt sich die erfindungsgemäße Motorschmierflüssigkeit zugleich als alkoholbasierte Kühlflüssigkeit verwenden, als die sie in anderer Zusammensetzung für einen separaten Kühlkreislauf des Motors bereits bekannt ist. Unerwartet und überraschend ist jedoch die Eignung dieser Flüssigkeit als Motorschmierflüssigkeit, wie sie in ausgedehnten tribologischen Versuchen nachgewiesen worden ist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich daher auch auf einen Motorfluidkreislauf, in dem die erfindungsgemäße Motorschmierflüssigkeit umgepumpt wird, wobei der Motorfluidkreislauf sowohl als Schmier- als auch als Kühlkreislauf für den Motor ausgebildet ist. Demgemäß enthält der Motorfluidkreislauf insbesondere und vorzugsweise auch einen dem Fahrtwind und/oder einer Ventilatoreinströmung ausgesetzten Wärmetauscher.
Im Folgenden werden Beispiele für die erfindungsgemäße Zusammensetzung einer Motorschmierflüssigkeit aufgeführt:
Beispiel 1:

60 % Propylenglykol
1,5 % Triethanolamin
2,3 % Na₂B₄O₇·10 H₂O
4 % K₂HPO₄
ad 100 % Reinstwasser
pH 8,4

Beispiel 2:

60 % Glycerin
1,5 % Triethanolamin
2,3 % Na₂BaO₇·10 H₂O
4 % K₂HPO₄
ad 100 % Reinstwasser
pH 7,6

Beispiel 3:

60 % Propylenglykol
1,5 % Triethanolamin
2,3 % Na₂B₄O₇·10 H₂O
2,4 % K₂HPO₄
ad 100 % Reinstwasser
pH 9,1

Beispiel 4:

60 % Glycerin
1,5 % Triethanolamin
2,3 % Na₂B₄O₇·10 H₂O
2,4 % K₃PO₄
ad 100 % Reinstwasser
pH 8,7

Beispiel 5:

60 % Ethylenglykol
1,5 % Triethanolamin
2,3 % Na₂B₄O₇·10 H₂O
4 % K₂HPO₄ ad 100 % Reinstwasser

Die Flüssigkeiten gemäß Beispiel 2 und 4, die 60 % Glycerin enthalten, sind zähflüssiger als die Flüssigkeiten mit Propylenglykol. In allen Fällen war die Viskosität aber niedrig genug, um eine Förderung der Flüssigkeiten mit einer Pumpe zu ermöglichen.
Die Siedetemperaturen der Flüssigkeiten gemäß den Beispielen 1 bis 4 betrugen
Beispiel 1: 110 °C
Beispiel 2: 113 °C
Beispiel 3: 109 °C
Beispiel 4: 111 °C.
Die Lösungen dieser Beispiele sind daher in dem vorgesehenen Temperaturbereich bis +110 °C unproblematisch einsetzbar und als Lösung stabil.
Das Beispiel 5 führt ebenfalls zu einer einsetzbaren Motorschmierflüssigkeit. Die Siedetemperatur liegt bei ca. 115 °C. Nachteilig ist jedoch die Toxizität von Ethylenglykol gegenüber Propylenglykol oder Glycerin, die bei Wartungsarbeiten (Ölwechsel) und der Entsorgung ohne besondere Maßnahmen zu einer Gefährdung von Personen und Umwelt führen kann.
Die bevorzugten Flüssigkeiten gemäß den Beispielen 1 bis 4 verändern beim Erhitzen mit oder ohne Eisenpulver den pH-Wert nicht signifikant.
Korrosionstests haben ferner ergeben, dass alle Beispielflüssigkeiten aufgrund ihres pH-Wertes und aufgrund ihrer Zusammensetzung keine relevanten Oxidationen an blanken Eisenoberflächen verursachten.
Weitere Untersuchungen haben ferner ergeben, dass die Zugabe von K₂HPO₄ oder K₃PO₄ als Puffer stark variieren kann und dass beispielsweise eine Erhöhung des Anteils an K₂HPO₄ oder K₃PO₄ auf 12,5 % (zulasten des Reinstwassers) zu keinen nachteiligen Wirkungen führt.

Claims

Motorschmierflüssigkeit, enthaltend wenigstens einen in Wasser vollständig gelösten mehrwertigen Alkohol mit wenigstens 3 C-Atomen, dessen Lösung in Wasser unter Normaldruck und im Temperaturbereich von –20 °C bis +110 °C flüssig bleibt, sowie wenigstens ein wenigstens gegen Säure pufferndes und einen pH-Wert > 6 gewährleistendes Puffersystem.
Motorschmierflüssigkeit nach Anspruch 1, bei der der Wasseranteil in der Lösung 25 bis 45 %, vorzugsweise 30 bis 40 % beträgt.
Motorschmierflüssigkeit nach Anspruch 1 oder 2, bei der der. Anteil des wenigstens einen mehrwertigen Alkohols 55 bis 75 %, vorzugsweise 60 bis 70 % beträgt.
Motorschmierflüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die als mehrwertigen Alkohol 1,2-Propandiol und/oder 1,2,3-Propantriol enthält.
Motorschmierflüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die als Puffersubstanz Borsäurederivate und/oder puffernde Phosphate enthält.
Motorschmierflüssigkeit nach Anspruch 5, die als Puffersubstanz Borax in einer Konzentration zwischen 1, und 5 % enthält.
Motorschmierflüssigkeit nach Anspruch 5 oder 6, die als Puffersubstanz Dikaliumhydrogenphosphat in einer Konzentration zwischen 3 und 15 % enthält.
Motorschmierflüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die auf einen pH-Wert zwischen 7 und 10 eingestellt ist.
Verwendung der Motorschmierflüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Schmierung und gleichzeitigen Kühlung des Motors in einem gemeinsamen Schmier-/Kühlkreislauf.
Motorfluidkreislauf, in dem die Motorschmierflüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umgepumpt wird, ausgebildet als Schmier- und als Kühlkreislauf für den Motor.
Motorfluidkreislauf nach Anspruch 10, enthalten einen dem Fahrtwind und/oder einer Ventilatoreinströmung ausgesetzten Wärmetauscher.