DE19605162C1 - Synthetisches Schmieröl und dessen Verwendung - Google Patents

Synthetisches Schmieröl und dessen Verwendung

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ELF OIL DEUTSCHLAND GmbH
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Description

Die Erfindung betrifft ein synthetisches Schmieröl.
Schmierstoffe dienen zur Reibungs- und Verschleißminde­ rung in tribologischen Systemen. Sie werden in unter­ schiedlichen Aggregatzuständen als Schmieröle, Schmierfette oder feste Schmierstoffe eingesetzt. Ein Anwendungsgebiet solcher Schmieröle sind Verbrennungs­ motoren, deren bewegliche Bauteile im wesentlichen durch Schmieröle geschmiert werden.
Die gebräuchlichsten Schmieröle in Verbrennungsmotoren sind additivierte Mineralöle. Aufgrund der steigenden Beanspruchung der Öle und längeren Ölwechselintervalle werden zunehmend auch synthetische oder teilsyntheti­ sche Öle, z. B. Hydrocracköle, verwendet.
Die Aufgaben des Schmieröls im Verbrennungsmotor sind beispielsweise die Schmierung und Kühlung der Trieb­ werksteile, der Abtransport von Verunreinigungen und die Neutralisierung chemisch wirksamer Verbrennungspro­ dukte sowie die Übertragung von Kräften und Dämpfung von Schwingungen.
Über die Veredelung des Schmieröls - Additivierung - kann dieses an die jeweiligen Anforderungen angepaßt und optimiert werden.
Zum Beispiel verbessern die Schmierstoffadditive auf der einen Seite die tribologisch relevanten Eigenschaf­ ten der Schmierstoffe, wie das Viskosität-Temperatur-Verhalten oder das Reibungs- und Verschleißverhalten unter Grenz- oder Mischreibungsbedingungen, und auf der anderen Seite dienen sie als Oxydationsinhibitoren, Schaumverhütungsmittel und ähnliches.
Die Schmierstoffadditive können sich in ihrer Wirkung gegenseitig unterstützen und synergetisch wirken oder sich beeinträchtigen und somit antagonistisch wirken.
Bei Verbrennungsmotoren wird das mit Schmierstoffaddi­ tiven versehene Schmieröl in einem Schmierölkreislauf geführt und dabei über eine Schmierölpumpe über einen Ölfilter allen Lager- und Gleitstellen derart zuge­ führt, daß die Schmierung entweder mit Druck-, Spritz- oder Schleuderöl oder Öldunst erfolgt. Das Schmieröl sammelt sich nach Durchströmen der Lager- und Gleit­ stellen unter dem Triebwerk in der Ölwanne. Die Ölwanne dient zur Kühlung des Schmieröls, zur Entschäumung durch Beruhigung und als Vorratsbehälter.
Bei thermisch hochbelasteten Verbrennungsmotoren wird zusätzlich ein Ölkühler verwendet, um die Öltemperatur nicht weit über +120°C ansteigen zu lassen. Bekanntlich bleibt bei Temperaturen von 100°C bis 120°C die Schmierfähigkeit bekannter Öle erhalten und ist deren Alterung gering.
Bei Verbrennungsmotoren ist es weiterhin bekannt, ent­ weder eine Direktkühlung oder einen zusätzlichen Kühl­ kreislauf vorzusehen, um eine thermische Überbeanspru­ chung des Verbrennungsmotors sowie seiner Bauteile, eine Verbrennung des Schmieröls und unkontrollierte Verbrennungen in der Brennkammer durch zu hohe Be­ triebstemperaturen zu vermeiden.
Bei der Direktkühlung durch Luft erfolgt die Wärme­ abfuhr direkt aus den Bauteilen des Verbrennungsmotors durch intensive Umströmung der meist verrippten Ober­ flächen.
Bei den zusätzlichen Kühlkreisläufen ist die Luft-Was­ ser-Umlaufkühlung das meist angewandte System, das einen geschlossenen Kreislauf mit Wasser als Kühlmedium aufweist. Das Kühlwasser wird über eine Pumpe durch den Verbrennungsmotor und durch einen Luft-Wasser-Wärmetau­ scher gepumpt. Die Kühlluft wird bei Krafträdern vor­ zugsweise durch den Fahrtwind bei Kraftfahrzeugen vor­ zugsweise durch einen Zusatzlüfter durch den Luft-Was­ ser-Wärmetauscher gefördert. Hierfür ist zusätzliche Motorleistung erforderlich. Zusätzliche Kühlkreisläufe erfordern zudem zusätzliche Bauteile und in aller Regel ein zusätzliches Kühlmedium.
Diese technisch zwar bewährten Kühlverfahren haben auch andere Nachteile. So ist aus dem Sondergutachten "Abfallwirtschaft" des Rats der Sachverständigen zu Um­ weltfragen der Bundesrepublik Deutschland, September 1990 bekannt, daß rund 200 000 Tonnen Mineralöl durch Leckage, schlechte Verbrennung und andere Mechanismen unkontrolliert ins Erdreich gelangen und dort ver­ sickern. Der größte Teil dieses die Umwelt belastenden Altöls stammt aus Motoren.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein neues Schmiermit­ tel bereitzustellen, das sowohl für die bekannten Ver­ brennungsmotoren, als auch für aus sogenannten neuen Werkstoffen aufgebauten Motoren, z. B. unter Einsatz von Keramikbauteilen hergestellte Motoren, geeignet ist, und außerdem gleichzeitig die Kühlung solcher Ver­ brennungsmotoren vereinfachen kann. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein synthetisches Schmiermittel bereitzustellen, das gute Schmiereigenschaften mit guten Wärmeaufnahme- und Wärmeabgabeeigenschaften kom­ biniert, eine hohe spezifische Wärmekapazität aufweist und darüber hinaus in hohem Maße umweltverträglich ist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein synthetisches Schmieröl umfassend
  • a) 70 bis 96 Gewichtsprozent eines Alkylenglycols mit 2 bis 5 C-Atomen oder eines Polymers davon mit einer Molmasse bis 5000,
  • b) 0,5 bis 2 Gewichtsprozent einer Dicarbonsäure mit 4 bis 14 C-Atomen,
  • c) 1 bis 4 Gewichtsprozent einer Alkancarbonsäure, deren Hauptkette 3 bis 8 Kohlenstoffatome lang ist und Methylverzweigungen aufweist,
  • d) 0,05 bis 1 Gewichtsprozent eines Antioxidans auf Basis Triazol,
  • e) 1 bis 5 Gewichtsprozent einer anorganischen Base,
  • f) 0,001 bis 0,1 Gewichtsprozent Polyacrylat oder Polymethacrylat,
  • g) 0 bis 0,1 Gewichtsprozent Farbstoff,
  • h) 0 bis 0,1 Gewichtsprozent Brechmittel,
  • i) der Rest auf 100 Gewichtsprozent Wasser.
Ein solches Schmieröl kann, wie Versuche gezeigt haben, kurzfristig viel Wärme aufnehmen und in Wärmetauschern kurzfristig wieder viel Wärme abgeben, ohne daß dabei die Schmierstoffeigenschaften beeinträchtigt werden. Daher können separate Kühlkreisläufe eingespart und so­ mit der Aufbau von Verbrennungsmotoren vereinfacht und deren Verlustleistung verringert werden.
Der mit vorliegender Erfindung bereitgestellte synthe­ tische Schmierstoff ist sowohl für übliche Motoren als auch für Motoren, in denen Keramik und Kunststoffteile verwendet werden, geeignet, da es Keramik und Kunst­ stoff nicht angreift.
Da der erfindungsgemäße Schmierstoff eine hohe Wär­ meaufnahmekapazität bietet, kann in den Bereichen, wo der erfindungsgemäße Schmierstoff zur Schmierung ver­ wendet wird, auf einen zusätzlichen Kühlkreislauf ver­ zichtet werden.
Weiterhin ist von Vorteil, daß das Viskositätsverhalten des vorliegenden Schmierstoffs sich in den Temperatur­ bereichen, wie sie beim Betrieb eines Verbrennungsmo­ tors auftreten, nicht wesentlich verändern.
Da das erfindungsgemäß bereitgestellte synthetische Schmieröl im wesentlichen Bestandteile umfaßt, die bio­ logisch abbaubar sind, wird selbst dann, wenn Teile dieses Schmierstoffs ins Erdreich gelangen, die Umwelt weniger als bisher belastet. Es ist frei von Nitrit, Amin, Phosphat, Chromat, Silicat und Borat sowie frei von Zink, Blei, Molybdän und Schwefel.
Der erfindungsgemäße Schmierstoff enthält als Hauptbe­ standteil, der für die Schmierung verantwortlich ist, ein Alkylenglycol mit zwei bis fünf Kohlenstoffatomen oder ein Polymer davon mit einer Molmasse bis 5000. Der Anteil des Alkylenglycols oder Polyalkylenglykols vari­ iert abhängig vom Anwendungszweck und von dem jeweilig verwendeten Alkylenglycol in einem Bereich von 70 bis 96 Gewichtsprozent. Bei einem Anteil von weniger als 70 Gewichtsprozent wird keine ausreichende Schmierung und keine ausreichende Ableitung der Wärme mehr erreicht, während bei einem Anteil von mehr als 96 Gewichtspro­ zent der Anteil der anderen Inhaltsstoffe zu gering ist, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Besonders bevorzugt wird das Alkylenglycol in einem Anteil von 85 bis 95 Gewichtsprozent verwendet.
Als Alkylenglykole können sowohl Mono- als auch Poly­ glykole, insbesondere Mono- oder Polyethylenglykole und -propylenglykole eingesetzt werden. Polyalkylenglykole sind geeignet, wenn sie eine Molmasse bis 5000, bevor­ zugt 3000, besonders bevorzugt im Bereich von 1000 bis 3000, haben, da sie in diesem Bereich wasserlöslich sind. Besonders bevorzugt wird Monoethylenglykol oder Monopropylenglykol und insbesondere Monoethylenglykol angewendet, da Monoethylenglykol die beste Wärmeleitfä­ higkeit aufweist.
Um die Korrosion an metallischen Oberflächen und Alumi­ niumlegierungen sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Temperaturen zu hemmen, werden erfindungsgemäß zwei Säuren eingesetzt, nämlich eine Dicarbonsäure mit 4 bis 14 C-Atomen, und eine Alkancarbonsäure, deren Haupt­ kette 3 bis 8 Kohlenstoffatome lang ist und Methylver­ zweigungen aufweist. Die Dicarbonsäure ist vor allen Dingen wirksam bei hohen Temperaturen, während die ver­ zweigte Alkancarbonsäure vor allem bei niederen Tempe­ raturen vor Korrosion schützt. Die beiden erfindungsge­ mäß eingesetzten Säuren ergänzen sich hinsichtlich ihrer Eigenschaften, wobei positive Eigenschaften bei­ der Säuren sich potenzieren, während negative Be­ gleiterscheinungen weitgehend unterdrückt werden. Die Dicarbonsäure hat 4 bis 14 C-Atome. Bei weniger als 4 C-Atomen in der Kette ist der Dampfdruck zu hoch, wäh­ rend bei mehr als 14 C-Atomen die Löslichkeit der Säure in dem Schmierstoff beeinträchtigt ist. Bevorzugt wird als Dicarbonsäure Suberinsäure, Azelainsäure oder Seba­ cinsäure oder eine Mischung von Säuren und insbesondere Sebacinsäure verwendet. Der Anteil der Dicarbonsäure in dem Schmierstoff ist 0,5 bis 2 Gewichtsprozent, wobei ein Anteil von 0,8 bis 1,5 Gewichtsprozent bevorzugt ist.
Die weitere Carbonsäure mit 3 bis 8 Kohlenstoffatomen in der Hauptkette, die Methylverzweigungen aufweist, wäre die Verbindung bei weniger als 3 C-Atomen zu flüchtig, während bei mehr als 8 C-Atomen bei der Ver­ bindung wiederum Löslichkeitsprobleme auftreten. Die Anzahl der Methylverzweigungen ist bevorzugt 2 bis 5, abhängig von der Länge der Hauptkette. Besonders bevor­ zugt wird als verzweigte Alkancarbonsäure 3,5,5-Tri­ methylhexylsäure eingesetzt. Die Carbonsäure wird in einer Menge von 1 bis 4 Gewichtsprozent, bevorzugt 1,5 bis 3 Gewichtsprozent, eingesetzt. Besonders vorteil­ hafte Ergebnisse werden erzielt, wenn die Dicarbonsäure und die verzweigte Alkancarbonsäure in einem Verhältnis von 1 : 3 bis 1 : 1,5 verwendet werden.
Um das synthetische Schmieröl oxidationsstabil zu ma­ chen, wird ein Antioxidans zugesetzt. Aus Stabilitäts­ gründen wird hierzu eine Triazolverbindung verwendet. Die für Schmieröle verwendeten Triazolverbindungen sind hierzu geeignet. Bevorzugt werden Tolyltriazol, Mercap­ tobasotriazol oder Basotriazol eingesetzt, wobei Tolyl­ triazol besonders bevorzugt ist. Das Antioxidans wird in einer Menge von 0,05 bis 1 Gewichtsprozent verwen­ det. Mengen unter 0,05% haben nicht die erwünschte Wirkung, während Anteile von mehr als 1 Gewichtsprozent unwirtschaftlich sind, da sie keine zusätzliche Leistung erbringen.
Um eine Korrosion durch Säuren zu verhindern, ist der Schmierölzusammensetzung eine anorganische Base zuge­ setzt. Die Base kann gegebenenfalls in Wasser gelöst sein. Die Base wird in einer solchen Menge zugesetzt, daß der pH-Wert der Mischung in einem Bereich von 7 bis 8,5 gehalten wird. Hierzu sind in der Regel 1 bis 5 Ge­ wichtsprozent notwendig. Besonders bevorzugt werden 1 bis 1,5 Gewichtsprozent eingesetzt. Die Base ist bevor­ zugt ein Alkalihydroxid, das gegebenenfalls in Wasser gelöst sein kann, um die Dosierung zu erleichtern. Be­ sonders bevorzugt wird Natriumhydroxid, insbesondere als wäßrige Lösung, eingesetzt.
Das erfindungsgemäße synthetische Schmieröl enthält als weiteren Zusatz ein Polymer, um Schlammbildung zu ver­ hindern. Dieses Polymer ist ein Polyacrylat oder Poly­ methacrylat, wobei ersteres bevorzugt ist. Dieses Poly­ mer wird in einem Anteil von 0,001 bis 0,1 Gewichtspro­ zent eingesetzt. Der Molmassenbereich für das Polyacrylat liegt bevorzugt zwischen 1000 und 2000 D.
Um das ästhetische Aussehen des Schmieröls zu verbes­ sern, kann gegebenenfalls ein Farbstoff zugesetzt wer­ den. Es kommen hier die üblicherweise für Schmierstoffe verwendeten Farbstoffe in Betracht. Der Farbstoff kann in einem Anteil von 0 bis 0,1% vorhanden sein.
Ein Brechmittel kann als Zugabe zum erfindungsgemäßen synthetischen Schmieröl zweckmäßig sein, da dieses durch seinen Glycolgehalt einen süßlichen Geschmack erhält. Würde das synthetische Schmieröl aus Versehen getrunken, wird ein Brechreiz hervorgerufen, so daß größere Schäden vermieden werden.
Insbesondere wird als Brechmittel Denatoniumbenzoat, C₂₈H₃₄N₂O₃, verwendet.
Das erfindungsgemäße Schmieröl kann also gleichzeitig als Schmier- und Kühlmittel dienen. Je nach den er­ wünschten Wärmeaufnahme- und Wärmeabgabeeigenschaften sowie den erwünschten Schmiereigenschaften kann der Formulierung Wasser zur ergänzenden Erfüllung dieser Zwecke zugegeben werden. Je nach Anwendungszweck liegt die Wassermenge in einem Bereich von 0 bis zum Rest der Gewichts­ prozente auf 100 Gew.-%.
Das Wasser kann zusammen mit der Base in Form einer wäßrigen Lauge zugegeben werden.
Der Einsatzbereich des synthetischen Schmieröls liegt je nach Wassergehalt zwischen -30°C und +165°C.
Das erfindungsgemäße Schmieröl kann überall dort einge­ setzt werden, wo bisher konventionelle Schmierstoffe auf Kohlenwasserstoffbasis eingesetzt wurden und wo nicht mit Anwesenheit von Kraftstoffen in unverbrann­ tem, unvollständig verbranntem oder vollständig ver­ branntem Zustand zu rechnen ist. Es ist auch für den Einsatz bei Kompressoren geeignet.
Das erfindungsgemäße Schmieröl kann weitere für Schmierstoffe bekannte Inhaltsstoffe in der üblicher­ weise verwendeten Menge enthalten, soweit dadurch die gewünschten Eigenschaften nicht beeinträchtigt werden.
Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel erläu­ tert:
Beispiel 1
Gew.-%
Monoethylenglycol
92,639
Sebacinsäure 1,400
3,5,5-Trimethylhexylsäure 3,000
Tolyltriazol 0,220
Natriumhydroxid in Wasser gelöst (67%) 2,724
Farbstoff 0,014
Polyacrylat-Polymer 0,003
100,000
Dieses Schmiermittel hat eine Dichte von 1,117 Gramm pro Kubikzentimeter und einen PH-Wert von 8,3 bei 500 g pro Liter, wobei der Wert bei 20° Celsius bestimmt wurde. Der Erstarrungspunkt liegt bei -12° Celsius und die Siedetemperatur bei 168° Celsius. Die Viskosi­ tät, die ebenfalls bei 20° Celsius gemessen wurde, be­ trägt 19 mm² pro Sekunde.
Beispiel 2
Gew.-%
Propylenglycol
92,639
Sebacinsäure 1,400
3,5,5-Trimethylhexylsäure 3,000
Tolyltriazol 0,220
Natriumhydroxid in Wasser gelöst (67%) 2,724
Farbstoff 0,014
Polyacrylat-Polymer 0,003
100,000
Beispiel 3
Gew.-%
Monoethylenglycol
92,213
Sebacinsäure 1,400
3,5,5-Trimethylhexylsäure 3,000
Tolyltriazol 0,220
Kaliumhydroxid in Wasser gelöst (67%) 3,150
Farbstoff 0,014
Polyacrylat-Polymer 0,003
100,000
Beispiel 4
Gew.-%
Monoethylenglycol
92,611
Sebacinsäure 1,400
3,5,5-Trimethylhexylsäure 3,000
Tolyltriazol 0,220
Natriumhydroxid in Wasser gelöst (67%) 2,724
Farbstoff 0,014
Polyacrilat-Polymer 0,003
Denatoniumbenzoat 280 ppm (Brechmittel) 0,028
100,000

Claims (14)

1. Synthetisches Schmieröl umfassend
  • a) 70 bis 96 Gewichtsprozent eines Alkylen­ glycols mit 2 bis 5 C-Atomen oder eines Polymers davon mit einer Molmasse bis 5000,
  • b) 0,5 bis 2 Gewichtsprozent einer Dicarbon­ säure mit 4 bis 14 C-Atomen,
  • c) 1 bis 4 Gewichtsprozent einer Alkancarbon­ säure, deren Hauptkette 3 bis 8 Kohlen­ stoffatome lang ist und Methylverzweigun­ gen aufweist,
  • d) 0,05 bis 1 Gewichtsprozent eines Anti­ oxidans auf Basis Triazol,
  • e) 1 bis 5 Gewichtsprozent einer anorgani­ schen Base,
  • f) 0,001 bis 0,1 Gewichtsprozent Polyacrylat oder Polymethacrylat,
  • g) 0 bis 0,1 Gewichtsprozent Farbstoff,
  • h) 0 bis 0,1 Gewichtsprozent Brechmittel,
  • i) der Rest auf 100 Gewichtsprozent Wasser.
2. Synthetisches Schmieröl nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß es 85 bis 95 Ge­ wichtsprozent Mono- oder Polyalkylenglycol ent­ hält.
3. Synthetisches Schmieröl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Alkylenglycol Ethylenglycol verwendet wird.
4. Synthetisches Schmieröl nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicarbonsäure Suberinsäure, Azelainsäure, Sebacinsäure oder eine Mischung dieser Säuren ist.
5. Synthetisches Schmieröl nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Alkansäure 2 bis 5 Methylgruppen an der Hauptkette gebunden aufweist.
6. Synthetisches Schmieröl, dadurch gekennzeich­ net, daß die Alkansäure 3,5,5,-Trimethylhexyl­ säure ist.
7. Synthetisches Schmieröl nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Antioxidans Tolyltriazol, Mercaptobasotria­ zol oder Basotriazol verwendet wird.
8. Synthetisches Schmieröl nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Base Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid, gegebenenfalls in wäßriger Lösung, verwendet wird.
9. Synthetisches Schmieröl nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Brechmittel Denatoniumbenzoat verwendet wird.
10. Synthetisches Schmieröl nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicarbonsäure und die Alkancarbonsäure in einem Verhältnis von 1 : 3 bis 1 : 1,5 eingesetzt werden.
11. Verwendung einer Zusammensetzung umfassend
  • a) 70 bis 96 Gewichtsprozent eines Alkylen­ glycols mit 2 bis 5 C-Atomen oder eines Polymers davon mit einer Molmasse bis 5000,
  • b) 0,5 bis 2 Gewichtsprozent einer Dicarbon­ säure mit 4 bis 14 C-Atomen,
  • c) 1 bis 4 Gewichtsprozent einer Alkancarbon­ säure, deren Hauptkette 3 bis 8 Kohlen­ stoffatome lang ist und Methylverzweigun­ gen aufweist,
  • d) 0,05 bis 1 Gewichtsprozent eines Anti­ oxidans auf Basis Triazol,
  • e) 1 bis 5 Gewichtsprozent einer anorgani­ schen Base,
  • f) 0,001 bis 0,1 Gewichtsprozent Polyacrylat oder Polymethacrylat,
  • g) 0 bis 0,1 Gewichtsprozent Farbstoff,
  • h) 0 bis 50 Gewichtsprozent Wasser,
  • i) 0 bis 0,1 Gewichtsprozent Brechmittel,
als synthetisches Schmieröl.
12. Verwendung nach Anspruch 11 als synthetisches Schmieröl für Verbrennungsmotoren und Kompressoren.
13. Verwendung nach Anspruch 12 als synthetisches Schmieröl für Keramikbauteile und/oder Kunststoffe aufweisende Verbrennungsmotoren und Kompressoren.
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