NO142405B - Smoeremiddelblanding for anvendelse i veivkasse - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører smøremiddelblandinger og

deres anvendelse for smøring av veivkasser i motorkjøretøyer, nærmere bestemt smøremiddelblandinger som har et basismateriale omfattende en flytende polyolester og et flytende syntetisk hydro-karbon.

Anvendelse av forskjellige diestere, polyestere og kom-plekse estere som smøreoljer er velkjent på det her gjeldende om-råde og er beskrevet i flere patenter, f.eks. U.S.-patent 2 723 286, 2 743 234 og 2 575 196. Fett og oljer som forekommer i naturen, overveiende glyceridestere, har vært brukt som smøremidler i fle-

re århundrer. I den nyere tid har man utviklet til bruk som smøre-midler syntetiske estere eller syntetiske esterblandinger fremstilt av forskjellige kombinasjoner av mono- og polyfunksjohelle syrer og alkoholer.

Syntetiske estere har vært brukt i stor utstrekning som smøremidler for turbiner, men de har vært lite brukt i stempelmotorer. Grunnen til at de ikke er akseptert som smøremiddel for stempler, har hovedsakelig vært esternes skadelige påvirkning av de elastomere tetninger som benyttes i stempelmotorer, nemlig for kraftig svelling av tetningene.

Med "svelling" menes den volummengde i prosent som elastomere tetninger utvider seg med etter kontakt med og etter å ha blitt utsatt for smøremiddeImi1jø når en motor er i drift. Util-strekkelig eller utilbørlig kraftig svelling fører til at tetningene mister sin evne til å holde igjen og avgrense eller inneluk-ke motorens fluider, slik at det opptrer lekkasjer som forårsaker sterkt oljeforbruk.

En kontrollert eller styrt svelling av tetninger der derfor et av de viktigste karakteristiske trekk ved et veivkasse-smøremiddel. Det er viktig at det smøremiddel som benyttes, kan sikre kontrollert svelling for motorens elastomere tetninger, en svelling som er tilstrekkelig til å hindre smøremiddellekkasje.

Basismaterialet som inngår i smøremiddelblandingen ifølge oppfinnelsen, har vist seg å ha utmerkede egenskaper med hensyn til elastomere tetninger, særlig slike som er kjent under handels-betegnelsen "Buna-N" (en kopolymer av butadien og akrylnitril).

Selv om evnen til ikke å forårsake for kraftig eller util-strekkelig svelling av elastomermateriale er et verdifullt trekk, må smøremiddelblandinger som benyttes i stempelforbrenningsmoto-rer og som heretter skal benevnes stempelmotorer, være i besittel-se av andre spesielle egenskaper for på en tilfredsstillende måte å oppfylle de spesielle krav som stilles til smøremidler for motorer av den nevnte type.

Det er vesentlig at disse smøremidler har tilstrekkelig smøreevne til å kunne brukes under harde driftsforhold. De må også være stabile med hensyn til oksydasjon og varme og må kunne motstå rust-, slam- og fernissdannelser. Viskositeten må være slik at smøremidlet kan benyttes over et vidt temperaturområde, dvs. ha passende viskositet ved høy temperatur, lav viskositet ved lav temperatur og liten viskositetsforandring ved varierende temperatur. Smøremidlets hellepunkt må ligge lavt. Smøremidlets flyktighet må være svak ved høye temperaturer som opptrer under driften, dvs. at selektiv fordampning eller flyktiggjørelse av en hvilken som helst komponent av smøremidlet ikke må finne sted ved de høye temperaturer som opptrer under drift.

De store fremskritt ved kjøretøyer som drives med stempelmotorer har ført til at stempelmotorutstyret kommer til anvendelse i de verdensdeler hvor temperaturforholdene er meget harde-

re enn de temperaturforhold man vanligvis regner med i de områder som har mer temperert klima og som ellers også er tettere befol-ket. Det kreves at motoroljer må være tilstrekkelig flytende ved så lave temperaturer som -54°C, slik at motoren kan startes og allikevel ha slike flyktige egenskaper at fordampning forhindres selv om oljen i lengre tid utstettes for temperaturer som nærmer seg 180°C.

Å få sammenkoblet disse egenskaper med forlikeligheten overfor en mengde elastomerer er et vanskelig foretagende når det gjelder et driftsfluidum. Basismaterialet kombineres vanligvis med forskjellige tilsetninger som er laget for å forbedre bestem-te karakteristiske egenskaper som et smøremiddel må ha. For å oppnå dette må altså utgangsmaterialet kunne forenes med tilsetninger.

Forlikelighet overfor tilsetninger defineres som tilsetningenes evne til å løses opp eller dispergeres homogent i basismaterialet og er mål for tilsetningenes evne til å unngå blakking, flokkulering eller utfelling fra basismaterialetfluidet.

Petroleumsmøremidler som hittil nesten utelukkende har vært i bruk i stempelmotorer, kan vanligvis ikke tilfredsstille kravene med hensyn til høy og lav temperatur som stilles i dag. Petroleumoljer kan f.eks. modifiseres ved tilsetning av kerosen for å sikre start ved lav temperatur, men når denne modifikasjon med hensyn til lav temperatur er utført, blir smøremidlet for flyktig til å kunne brukes ved stort turtall og høy temperatur. Motsatt kan petroleumolje modifiseres for å sikre god oppførsel ved høye temperaturer, men slike oljeblandinger blir vanligvis for viskøse ved lave temperaturer, slik at de ikke virker tilstrekkelig godt i kaldt vær.

Konvensjonelle syntetiske estere som vanligvis benyttes til smøring av turbinmotorer, kan bibringes visse forbedrede egenskaper sammenlignet med petroleumoljer for stempelmotorer, men er stort sett blitt bedømt som ikke brukbare for anvendelse som stem-pelsmøremidler. Dette skyldes deres utilbørlig kraftige flyktighet og utilfredsstillende viskositetsegenskaper ved høye temperaturer. Mer viktig er det at disse fluider har en tendens til å påvirke slike elastomerer som benyttes som tetninger i kjøretøymo-torer slik at disse sveller for sterkt, hvilket kan resultere i smøremiddeltap som følge av lekkasje forbi motorens tetninger.

Det er derfor overraskende at smøremiddelblandingen ifølge oppfinnelsen ikke bare tilfredsstiller de strenge krav som stilles til smøremidler for smøring av motorveivkasser, men til og med i mange henseender er bedre enn det som forlanges.

Basismaterialet som inngår i smøremiddelblandingen i henhold til oppfinnelsen, omfatter en blanding av 2, eventuelt 3 kompo-nenter. Disse er: (1) en trimetylolpropan-ester eller en polytrimetylolpropan-ester av en alifatisk hydrokarbonkarboksylsyre med gjennomsnittlig kjedelengde 4-12 karbonatomer, (2) en oligomer utvalgt fra gruppen som består av okten/decen, blandet decen, samt blandinger av disse, idet smøremiddel-blandingen tilveiebringer 2-12 % svelling av en butadien/ akrylnitril-elastomertetning og smøremiddelblandingens viskositet ved 99°C er 3-20 cS; og eventuelt (3) 0,5-3 vekt% sinkditiofosfat, 0,1-3 vekt% fenyl-a-naftylamin og 0,005-0,1 vekt% benzotriazol.

De alifatiske hydrokarbonkarboksylsyrer som inngår i komponent (1), har fortrinnsvis gjennomsnittskjedelengder mellom 5 og 9 karbonatomer. Rettkjedede syrer foretrekkes selv om forgrenede symrer også kan benyttes, særlig slike som ikke har flere enn 2 karbonatomer i sidekjeder.

Ved syntetisering av polyolestere kan mindre mengder tobasis-ke syrer benyttes som tverrbindingsmidler. Alkyldelen av den to-basiske syre har fra 4 til 12 karbonatomer. Særlig foretrukne to-basiske syrer omfatter adipin-, azelain-, isoftalsyre og blandinger derav. Med tanke på tverrbinding innbefattes her også dimere og trimere syrer og deres blandinger.

For anvendelse i motorer med gnisttenning er blant polyolene særlig trimetylolpropan egnet.

Det foretrekkes spesielt at polyolesteren er en trimetylol-propantriester på grunn av dennes overlegne forenlighet med tilsetninger .

For bruk i en dieselmotor hvor det er ønskelig med en ester med høyere viskositet, bør det benyttes en ester av en polyol med større molekylvekt, fortrinnsvis en kondensert polyol, såsom di-trimetyloletan, ditrimetylolpropan, dipentaerytritol, tripenta-erytritol og blandinger derav.

Da ditrimetylolpropantetraester har meget bra forenlighet med tilsetninger, er det særlig foretrukket at denne tetraester benyttes som polyolester for bruk i dieselmotorer.

Når det gjelder komponent (2), altså oligomeren, foretrekkes det å anvende en a-olefinoligomer, med en foretrukket kjedelengde av 10 karbonatomer, fordi denne sikrer bedre viskositet og temperaturegenskaper samt lavere flyktighet.

Komponentene i det ester-oligomere basismateriale blandes

i mengder som kan påvirke tetningene til å svelle tilstrekkelig. Som tilstrekkelig svellingsgrad ansees innenfor denne oppfinnelse en svelling på fra 2 til 12 %, idet en svelling på 6-9 % foretrek-'kes for en slik elastomer som "Buna-N" som ofte er brukt i veivkasser i motorkjøretøyer.

En annen viktig egenskap er viskositet. Smøremiddelblandin-gen må ha et aksepterbart viskositetsområde som gjør den flytende ved så lave temperaturer som -54°C, slik at motoren kan startes, men som beholder tilstrekkelig filmstyrke for passende smøring ved driftstemperaturer som kan nærme seg 180°C.

Den godtagbare viskositet for smøremiddelblandingens basismateriale kan variere fra 3 til 20 cS ved 99°C og fortrinnsvis fra 4 til 12 cS ved 99°C.

Smøremiddelblandingen må også ha slike flyktighetsegenskaper at merkbar fordampning unngås når den utsettes i lengre perioder for temperaturer over ca. 180°C.

De mest effektive blandinger av polyolester og a-olefinoligomer, hvor styringen av elastomertetningens svelling er av pri-mær betydning, er en blanding hvor forholdet mellom komponentene (1) og (2) varierer fra 20:80 til 70:30, målt i vektdeler. Det foretrukne forhold ligger mellom 30:70 og 65:35, helst fra 50:50 til 60:40, også målt i vekt. Den følgende tabell illustrerer en styrt svelling av en tetning i kontakt med en typisk a-olefinoligomer/polyolesterblanding.

For anvendelse i dieselmotorer vil en polyolester med større viskositet utgjøre et utmerket basismateriale, f.eks. en ditrimetylolpropantetraester blandet med a-olefin-oligomerer.

Et slikt basismateriale er utmerket med hensyn til viskositet og styrt svelling av tetningen.

Systemet ifølge oppfinnelsen med basismateriale av polyolester og syntetisk hydrokarbonoligomer har vist seg å ha utmerkede egenskaper med hensyn til forlikelighet med tilsetninger og uten ufordelaktig innvirkning på motorens elastomertetninger. Typiske tilsetninger for ester/oligomerblandingen omfatter vanligvis slike tilsetninger som øker eller bibringer systemet slike egenskaper som bedre motstand mot korrosjon, motstand mot slitasje, stor evne til å bære belastning, god smøreevne, egenskaper som forbedrer viskositetsindeksen, vaskeevne, dispergeringsevne, evne til å motstå metalldeaktivering og gode antiskummingsegen-skaper.

Av særlig betydning er at dispergeringstilsetninger og rengjørings- eller vasketilsetninger er forlikelige og aktive eller effektive sammen med basismaterialblandingen. Grunnen til dette er at syreavgasser fra motoren kan lekke forbi motorens stempelringer og forurense smøremidlet i veivhuset. De to sist-nevnte tilsetninger forhindrer korrosjon og rust på motorens lågere og utgjør nødvendige tilsetninger til basismaterialet fordi de nøytraliserer, oppløser og dispergerer disse forurensninger og likeså nedbrytningsproduktene fra oksydasjon av fluidet.

De følgende eksempler skal angi forskjellige smøremiddel-blandinger som inneholder basismateriale i form av esteroligome-rer. Hvis ingen benevnelser er gitt, er alle deler og andeler i vekt.

Eksempel 1

En smøremiddelblanding med følgende sammensetning ble fremstilt og testet i henhold til "The Coordinating Research Council's (CRC)L-38 test", også kjent som "Method 3405" i "Federal Test Method Standard Number 791a".

SMØREMIDDELSAMMENSETNING

CRC L-38 tjener til bedømmelse av smøreoljer med hensyn til motstand mot oksydasjon, korrosjon, slamdannelse og ferniss-dannelse når oljen under drift utsettes for høye temperaturer. Fremgangsmåten går ut på en kontinuerlig operasjon med en enkelt sylinder i en CLR-oljeprøvemotor med konstant hastighet, luft/brensel-forhold og brenseltilstander i en periode på 40 timer som følger etter en igangsetningsperiode eller pauseperiode på ik timer. Foran hvert løp renses motoren meget grundig,og det tas oppmåling av de angjeldende deler av motoren, og et nytt stempel med stempelringer og nye lagerskåler for veivstangen eller stempelstangen settes inn.

Driftsdata er som følger:

Etter prøveløpet ble maskinen demontert,.og oljens opp-førsel under prøven ble bedømt ved visuell inspeksjon av motoren for avleiringer, ved måling av vekttapet av kobberblylagerforin-gene, ved sammenligning av inspeksjonsdata på prøver av forbrukt olje tatt med mellomrom med tilsvarende data på frisk olje.

Forsøksresultater fremgår av nedenstående tabell:

Testresultater

Bedømmelse av 40 timers test med hensyn til oljens oksydasjon i veivkassen.

Vekttap i lageret i mg

For denne test tillates et vekttap på maksimum 40 mg. Denne test bevirker en sterk korrosjonspåkjenning på stempelstan-gens lågere. Med smøremidler basert på estere, dvs. hvor en ester utgjør basismaterialet, vil testen vise svikt i form av util-børlig stort vekttap i lagrene som da ligger over de tillatte 40 mg. Forsøksresultatet med 33,3 mg vekttap ansees aksepta-belt og indikerende for at et fluid ikke vil forårsake utilbør-

lig kraftig lagerslitasje under drift i en motor.

BEDØMMELSE AV AVLEIRINGER I MOTOREN

Det dreier seg om en besiktigelse med hensyn til ænheten hvor renhetsgraden bedømmes med tall fra 0 til 10,0. Det sist-nevnte tall betyr at motoren er ren. Ferniss indikerer smøreol-jens tendens til nedbrytning og gjør seg gjeldende ved shellac-lignende glasur som har dannet seg på metalldelene.

OLJEANALYSE

Eksempel 2

En smøremiddelblanding identisk med blandingen ifølge eksempel 1 ble utsatt for løpende test på sterk slitasje og høy temperatur utført på en 1970 Oldsmobile, 8 sylindret motor med volum ca. 7 1. Testens varighet var 64 timer,og kriteriet for testen er at viskositeten etter 40 timer ikke må øke mer enn 4 00% og at kamløfterslitasjen er maksimalt mindre enn 0,0508 mm og mindre enn 0,025 mm i gjennomsnittsslitasje. Denne test er kalt 1970 General Motors "MS" Lubricant Evaluation: Sequence IIIC.

Resultater av motortesten fremgår av tabellen nedenfor: Viskositetsøkning:

Bemerkning: 12% økning av viskositeten etter 40 timer indikerer utmerket fluid^stabilitet. Den maksimalt tillatte verdi er 400%.

Bedømmelse av slamdannelsen

Slam og fernissavsetninger i de kritiske områder var

en meget liten mengde tatt i betraktning den meget harde testen. Som sammenligning kan nevnes at smøremidler basert på mineralske oljer ville ha en tendens til å danne meget større mengder slam-og fernissavsetninger under likeverdige forhold.

Bedømmelse av oljeringenes anleggsflater:

Besiktigelsen av tetningene viste at de var i meget god stand

og uten spor av nedbrytning. Tetningene hadde sin ettergivenhet, bøyelighet og dimensjonale integritet i behold, og ingen lekkasje var synlig.

Eksempel 3

En smøremiddelblanding identisk med den som ble undersøkt i eksempel l,ble underkastet en bedømmelsesmetode særlig med tanke på forhold under korte reiser i typiske vinterklimaforhold i den nordre del av Midt-Vesten i U.S.A. Betingelsene for denne un-dersøkelse var meget nyttige for bedømmelsen av motoroljenes egenskaper med hensyn til rusting, da testforholdene fremmet rustdan-nelse i motorens kritiske deler. Denne test er kalt 1971 General Motors Lubricant Evaluation: Sequence IIC. Testen ble utført på en 1971 Oldsmobile med 8-sylindret motor med 7 1 sylindervolum.

Foran hvert løp ble motoren fullstendig demontert, ren-set med oppløsningsmiddel, målt og satt sammen i nøyaktig over-ensstemmelse med spesifikasjonen. Deretter ble motoren instal-lert på en prøvestand utstyrt med de nødvendige apparater for måling av turtall, belastning, temperatur og andre driftsforhold. Motoren løp kontinuerlig 28 timer med moderat turtall^delvis opp-varmet kjølemiddel i kappen og rik luft/brenselblanding. Resultatene fremgår av nedenstående tabell:

Umiddelbart etter denne 28 timers operasjonsperiode ble motoren drevet i to timer under samme forhold bortsett fra følgen-de forandringer:

Deretter ble motoren stanset i 30 minutter for foran-dring av forgasseren, kontroll av oljenivået, skifting av tenn-plugger og innstilling av kjølesystemet for vippearmdekslet (kamakse]deksel). Deretter og uten at oljen var tappet fra motoren, ble den drevet i to timer under følgende forhold (høye temperaturer) .

BESIKTIGELSE

Etter at prøven var fullført, ble motoren fullstendig demontert og ettersett for rusting under benyttelse av den fore-skrevne fremgangsmåte ifølge "Coordinating Research Council (CRC)". Bedømmelse med 10,0 innebærer at delen er helt ren. Følgende deler ble undersøkt og bedømt: (1) Rust - (CRC) Manual nr. 7. Motorrust bedømmelse som gjennomsnitt av de fem deler som er nevnt nedenfor:

Ventilløftestenger

Ventilløftestempler

Ventilløftekuler

Oljepumpens avlastningsventil

Skyvestenger

(2) Andre: Fastlåsing av oljepumpens avlastningsventil og fastlåsing av ventilløfterens stempel.

OPPSUMMERING AV TESTRESULTATENE

Bemerkning: Bedømmelsesgraden på 8,4 i gjennomsnitt er betraktet

som akseptabel for denne harde rustdannelsefremskyndende test.

Det oppnådde gjennomsnitt på 8,6 er særlig merkbart for løfterne, stemplene, kulene, avlastningsventilenes stempler, idet alle dis-

se deler arbeider innenfor de stramme toleransegrenser.

Besiktigelse av tetningene viste at disse var i god

stand og uten spor av nedbrytning. De beholdt sin elastisitet og dimensjonale integritet og ingen lekkasje var synlig. Resul-

tatet av forsøket viser at det her dreier seg om et smøremiddel for veivhus som egner seg godt til harde driftsforhold når det gjelder slitasje og temperatur.

Eksempel 4

En smøremiddelblanding identisk med blandingen ifølge

eksempel 1 ble underkastet den såkalte Ford Sequence VC test;

Denne test er satt opp for bedømmelse av smøremidlets evne til å styre og dispergere skadelige forurensninger, såsom sure utblås-ningsgasser, særlig med karbon, sterkt oksyderte oksydasjonspro-

dukter o.l. Disse forurensninger forårsaker dannelse av slam og ferniss og ansees for å ha lettest for å opptre når motoren utset-

tes for forskjellige intermitterende opptredende sykluser, såsom tomgang, tomgangsløp, drift med mellomturtall, drift ved høyt turtall og stansing.

Forsøket ble utført på en 8-sylindret Ford motor med sylindervolum 5,25 1. Forsøket omfatter fire etter hverandre føl-

gende operasjonssykluser som hver varer fire timer. Under hver syklus underkastes motoren adskilte tomgangsperioder, driftsperi-

oder med mellomhastighet og driftsperioder med høyt turtall.

Etter at 4 driftssykluser er avsluttet, stanses motoren i 8 timer, hvoretter hele operasjonen gjentas. Den totale test-varighet utgjør 192 driftstimer.

Etter testen demonteres motoren fullstendig, besiktiges og bedømmes. Resultatene er som følger:

(Bedømmelse 10,0 betyr rent)

Bemerkning: Resultatene viser at smøremidlet er i stand til å dispergere skadelige forurensninger og holde motoren i ren drifts-tilstand, slik at god driftsoppførsel sikres også under vanskelige forhold. Besiktigelse av tetningene viste at de var i god stand, uten spor av nedbrytning. Det var ingen lekkasje, og tetningene hadde sin elastisitet og dimensjonale integritet i behold.

Claims (4)

1. Smøremiddelblanding, omfattende et basismateriale som omfatter en blanding av (1) en trimetylolpropan-ester eller en polytri-metylolpropan-ester av en alifatisk hydrokarbonkarboksylsyre med gjennomsnittlig kjedelengde 4-12 karbonatomer, (2) en oligomer utvalgt fra gruppen som består av okten/decen, blandet decen, samt blandinger av disse, idet smøremiddelblandingen tilveiebringer 2-12% svelling av en butadien/akrylnitril-elastomertetning og smøremiddel-blandingens viskositet ved 99°C er 3-20 cS; og eventuelt (3) 0,5-3 vekt% sinkditiofosfat, 0,1-3 vekt% fenyl-a-naftylamin og 0,005-1 vekt% benzotriazol, karakterisert ved at komponentene (1) og (2) er til stede i et forhold på fra 20:80 til 70:30 vektdeler.

2. Smøremiddelblanding som angitt i krav 1, karakterisert ved at forholdet mellom komponentene (1) og (2) er fra 30:70 til 65:35, fortrinnsvis fra 50:50 til 60:40.

3. Smøremiddelblanding som angitt i krav 1, karakterisert ved at komponent (1) er trimetylol<p>ropan-triheptanoat.

4. Anvendelse av smøremiddelblanding som angitt i krav 1-3, for smøring av en veivkasse for motorkjøretøyer.