DE102009015889A1

DE102009015889A1 - Schmiermittel für Verbrennungskraftmaschine und hiermit betriebene Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102009015889A1
Application number: DE102009015889A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Schlücker; Benjamin Pohrer; Tim Predel
Original assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Current assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2010-10-07
Also published as: WO2010112233A1

Abstract

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass als Schmiermittel für eine Verbrennungskraftmaschine eine ionische Flüssigkeit zur Anwendung gelangt, wobei insbesondere die verwendete ionische Flüssigkeit als Anion ein Bis(trifluormethylsulfonyl)-imid-Anion (BTA) und/oder ein Trifluorsulfonyl-Anion (Triflat) und/oder ein Tris(pentafluorethyl)trifluorphosphat-Anion (FAP) und/oder ein Dialkylphosphat-Anion enthält und die verwendete ionische Flüssigkeit außerdem als Kation ein Imidazolium-Kation enthält.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schmiermittel für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine ein solches Schmiermittel enthaltende Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Bei Verbrennungskraftmaschinen müssen die bewegten Kolben im Betrieb ständig geschmiert werden, da sie sehr hohen Reibungsbelastungen ausgesetzt sind. Erfolgt dies nicht in genügendem Ausmaß, kommt es beim Abriss der Schmierung zu einem sehr schnellen Festfressen der Kolben und sogar zur Zerstörung des Motors (sog. Kolbenfresser).
Der Motorwirkungsgrad hängt daher zu einem erheblichen Teil von der Güte der Motorschmierung ab. Es ist somit die Optimierung dieser Schmierung schon seit langer Zeit ein Hauptziel der einschlägigen Forschung, und zwar sowohl im Hinblick auf den Motor der Verbrennungskraftmaschine als auch auf das Schmiermittel selbst. Der augenblickliche Stand der Entwicklung wird durch vollsynthetische Motoröle repräsentiert, die mit einer Vielzahl von Additiven versetzt sind, um deren Eigenschaften in die gewünschte Richtung zu lenken.
Bei der Schmierung von Verbrennungskraftmaschinen wurden daher bisher entweder Schmiermittel auf der Basis von Mineralölen oder in Form von vollsynthetischen Motorölen mit einer Vielzahl von Additiven verwendet. Im Prinzip dürfen aber alle Schmiermittel verwendet werden, welche die an sie gestellten Anforderungen erfüllen.
Schmiermittel, die in Verbrennungskraftmaschinen zur Anwendung gelangen, sollten folgende Eigenschaften erfüllen:

– hinsichtlich Viskosität sollte das verwendete Schmiermittel die Viskositätsanforderungen gemäß den SAE-Richtlinien erfüllen, um eine gute Motorschmierung zu gewährleisten.
– Hinsichtlich thermischer Stabilität sollte das verwendete Schmiermittel bei den Betriebsbedingungen im Motor thermisch stabil sein, um die eigenen Eigenschaften zu erhalten und die Schmierung zu gewährleisten.
– Hinsichtlich Korrosion sollte das eingesetzte Schmiermittel nicht zu einer erhöhten Korrosion der berührten Flächen führen, um eine möglichst lange Standzeit des Motors zu ermöglichen und darüber hinaus die Oberfläche der geschmierten Teile zu erhalten.
– Hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften und des Verschleißes sollten der Reibungskoeffizient des verwendeten Schmiermittels und dessen Verschleißwerte möglichst gering sein, da die wichtigste Aufgabe des verwendeten Schmiermittels die Schmierung der bewegten Teile des Motors ist.
– Hinsichtlich der Flüchtigkeit sollte das verwendete Schmiermittel sich auch bei den hohen Temperaturen im Motor nicht verflüchtigen und auch keine gasförmigen Zersetzungsprodukte bilden, da die Aktivität des Abgaskatalysators nicht verringert werden soll.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein solches Schmiermittel für eine Verbrennungskraftmaschine vorzusehen, welches nach Möglichkeit viele oder alle der vorgenannten Anforderungen erfüllt und aufgrund seiner physikalischen sowie chemischen Eigenschaften eine Verbrennungskraftmaschine im Hinblick auf Kraftstoffverbrauch und Reibungswärmeproduktion optimiert.
Diese Aufgabe wird mit der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen enthalten.
Die Erfindung sieht vor, dass das verwendete Schmiermittel für eine Verbrennungskraftmaschine eine ionische Flüssigkeit (IL = Ionic Liquid) ist.
Hierbei kann die verwendete ionische Flüssigkeit als Anion ein Bis(trifluormethylsulfonyl)-imid-Anion (BTA) und/oder ein Trifluorsulfonyl-Anion (Triflat) und/oder ein Tris(pentafluorethyl)trifluorphosphat-Anion (FAP) und/oder ein Dialkylphosphat-Anion enthalten.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die verwendete ionische Flüssigkeit als Kation ein Imidazolium-Kation enthalten.
Selbstverständlich ist es möglich, als Schmiermittel auch ein Gemisch aus einigen oder sämtlichen der vorgenannten ionischen Flüssigkeiten zu verwenden.
Es liegt schließlich im Rahmen der Erfindung, dass der verwendeten ionischen Flüssigkeit ein Additiv, insbesondere in Form eines Entschäumers, zugesetzt ist.
Die Erfindung umfasst demgemäß auch eine Verbrennungskraftmaschine, die ein Schmiermittel in Form einer oder mehrerer der vorgenannten ionischen Flüssigkeiten enthält.
Schließlich umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine derart, dass die Verbrennungskraftmaschine mit einem Schmiermittel in Form einer der vorerwähnten ionischen Flüssigkeiten betrieben wird.
Bei den erfindungsgemäß als Schmiermittel vorzusehenden Verbindungen handelt es sich um solche ionischen Flüssigkeiten, welche niederschmelzende, meist organische Salze mit einem Schmelzpunkt unter 100°C sind. Die meisten bekannten ionischen Flüssigkeiten liegen bereits bei Raumtemperatur in flüssiger Form vor. Ionische Flüssigkeiten sind im Gegensatz zu herkömmlichen molekularen Flüssigkeiten vollständig ionisch und enthalten keine Anteile an Lösungsmitteln. Aus diesem Grund weisen sie neue, sehr ungewöhnliche physikalische und chemische Eigenschaften auf. Darüber hinaus kann man durch die Variation der Struktur von Anion und Kation sowie durch die Variation von deren Kombinationen die gewünschten Eigenschaften an gegebene technische Anforderungen vergleichsweise sehr gut anpassen.
Ein entscheidender Vorteil ionischer Flüssigkeiten ist ihr extrem geringer Dampfdruck, weshalb sie bis zu ihrer Zersetzungstemperatur selbst im Hochvakuum nicht verdampfen und darüber hinaus unbrennbar sind. Auch weisen viele ionische Flüssigkeiten eine sehr hohe thermische Stabilität mit Zersetzungstemperaturen über 250°C auf.
Erfindungsgemäß hat sich gezeigt, dass die erwähnten Arten von ionischen Flüssigkeiten besonders gut für den beabsichtigten Verwendungszweck geeignet sind. Sie zeichnen sich durch hervorragende thermische Belastbarkeit, einen außerordentlich geringen Dampfdruck (Flüchtigkeit), sehr gute Schmiereigenschaften, eine geringe Korosivität sowie eine geeignete Viskosität aus.
Die thermische Zersetzungsgrenze liegt bei den erfindungsgemäß verwendeten ionischen Flüssigkeiten deutlich über der von vollsynthetischem Motoröl, d. h. deutlich oberhalb von 250°C. Der Dampfdruck der erfindungsgemäß zur Anwendung gelangenden ionischen Flüssigkeiten ist nicht messbar. Der Reibungskoeffizient liegt gleichfalls wesentlich über dem von vollsynthetischem Motoröl. Ebenso verhalten sich die Abtragsraten beim Korrosionstest.
Bei der versuchsmäßigen Anwendung der Erfindung in einem Einzylinderkolbenverbrennungsmotor haben Messungen ergeben, dass sowohl an der Zylinderwand des Motors als auch in der Schmierflüssigkeit selbst deutlich geringere Temperaturen auftraten. Diese lagen im Vergleich zu aktuell eingesetztem vollsynthetischem Hochleistungsmotoröl um bis zu 20% niedriger. Weiterhin konnte auch der Kraftstoffverbrauch unter Volllast um bis zu 8% gesenkt werden.
Dies wird besonders deutlich anhand der beigefügten Diagramme. Hierbei zeigen:
1 die erzielten Messergebnisse hinsichtlich der Temperatur im erfindungsgemäßen Schmiermittelmedium (IL) im Vergleich zu bekannten Schmiermitteln;
2 im Diagramm die Messergebnisse hinsichtlich der Temperatur am Motorzylinder und
3 die Messergebnisse hinsichtlich des mit dem erfindungsgemäßen Schmiermittel erzielten verringerten Kraftstoffverbrauchs.
Wie deutlich aus sämtlichen der drei Diagramme ersichtlich, werden in jedem Fall aufgrund der Verwendung des erfindungsgemäßen Schmiermittels jeweils die besten Messergebnisse erzielt, wobei es sich bei dem Ausdruck ”ILx (additiviert)” um eine solche erfindungsgemäße ionische Flüssigkeit handelt, der als einziges Additiv ein Entschäumer zugesetzt ist.

Claims

Schmiermittel für eine Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Schmiermittel eine ionische Flüssigkeit ist.
Schmiermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete ionische Flüssigkeit als Anion ein Bis(trifluormethylsulfonyl)-imid-Anion (BTA) und/oder ein Trifluorsulfonyl-Anion (Triflat) und/oder ein Tris(pentafluorethyl)trifluorphosphat-Anion (FAP) und/oder ein Dialkylphosphat-Anion enthält.
Schmiermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete ionische Flüssigkeit als Kation ein Imidazolium-Kation enthält.
Schmiermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendeten ionischen Flüssigkeit ein Additiv, insbesondere in Form eines Entschäumers, zugesetzt ist.
Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Schmiermittel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche enthält.
Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine mit einem Schmiermittel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 betrieben wird.