Primerjava specifikacij olj in tehničnih podatkov za tri primerljiva vozila z različnimi pogonskimi sklopi
42
Preden se posvetimo specifikacijam olja, si najprej poglejmo osnovne tehnične podatke za vsa tri vozila. Tehnični podatki so prikazani v preglednici 4.1.
Preglednica 4.1: Tehnični podatki za tri primerjana vozila [39-41]
Vozilo KIA Stonic 1.0 T-GDi KIA Niro 6DCT KIA e-Soul
Tip motorja Bencinski, 3-valjni Bencinski, 4-valjni + električen motor
Permanenten magnet, sinhron
motor Največja moč
motorja [kW/KM] 88,3/120 77,2 (bencinski)
44,5 (električen) 150/204
Tip goriva Bencin Bencin + elektrika Elektrika
Posoda za gorivo [l] 45 43 64 kWh baterija
Kombinirana poraba
po ECE [l/100 km] 4,9 1,30 15,7 kWh/100 km
CO2 emisije po EU
NEDC [g/km] 115 29 0
Najprej lahko opazimo veliko razliko v navoru, ki je veliko višji pri EV. Ta podatek je bil sicer pričakovan, saj imajo električna vozila v splošnem višji navor kot ICEV ali HEV. Do tega pride zato, ker električni motorji znotraj vozila ustvarjajo navor veliko hitreje kot konvencionalna vozila z motorjem z notranjim zgorevanjem. Tukaj pa se seveda pojavi problematika visokih vrtljajev, ki smo jo izpostavili v prejšnjem poglavju. Ena izmed glavnih problematik visokih vrtljajev v mazivu vozila je namreč penjenje. Visok navor pomeni hitro pospeševanje samega vozila, ne pomeni pa tudi najvišje hitrosti. To lahko prikažemo s sliko 4.2, ki prikazuje primerjavo razvoja hitrosti vseh treh vozil iz začetnega položaja (0 km/h) pa vse do njihove najvišje hitrosti. Vidimo lahko, da EV kljub veliko večjemu navoru ne dosega končnih hitrosti kot ostala dva avtomobila, je pa najhitrejši v pospeševanju od 0 km/h do 100 km/h. Končna hitrost e-Soula je 167 km/h, medtem ko je hitrost Stonica 189 km/h. Najhitrejši pa je Niro s končno hitrostjo 207 km/h [39-41].
Primerjava specifikacij olj in tehničnih podatkov za tri primerljiva vozila z različnimi pogonskimi sklopi
43 Slika 4.2: Prikaz razvoja hitrosti za vsa tri vozila [39-41]
V prejšnjem poglavju smo pri splošni primerjavi med ICEV in EV povedali, da je lahko električen avtomobil težji od ICEV in celo od HEV. V preglednici 4.1 lahko vidimo, da je tudi v primeru vozil znamke KIA tako. Čeprav je e-Soul nekoliko višji in širši od ostalih dveh avtomobilov, je kar 100 kg težji od Nira in nekaj več kot 400 kg težji od Stonic-a.
Opomniti velja, da KIA Niro v dolžino meri več od e-Soula. Po podatkih, najdenih v specifikacijah proizvajalca, lahko opazimo, da skoraj tretjino celotne teže električnega avtomobila e-Soul predstavlja njegova baterija (tj. 457 kg).
Eden izmed razlogov, zakaj bi se kupec lahko raje odločil za električen ali hibriden avtomobil, je njegova kombinirana poraba na 100 km. S hibridnim vozilom bi porabili veliko manj goriva, bistveno pa bi zmanjšali tudi emisije CO2. Omenimo še to, da je pri porabi električnega vozila navedena poraba baterije v kWh na 100 km. Če bi to količino primerjali z velikostjo baterije, bi opazili, da bi z enim polnjenjem lahko dosegli približno 452 km (baterija ima velikost 64 kWh). To pa je precej manj, kot lahko dosežemo z HEV in pa seveda z ICEV. Slednji ima posodo za gorivo z velikostjo 45 litrov, medtem ko ima Niro le 2 litra manjšo.
Poglejmo si sedaj specifikacije olj za obravnavana tri vozila.
Najprej bomo primerjali specifikacije za motorno olje pri vseh treh avtomobilih. Ta primerjava je prikazana v preglednici 4.2. Vidimo lahko, da v stolpcu s podatki o olju za električno vozilo ni vnesenih vrednosti. To pa zato, ker EV nima motorja z notranjim zgorevanjem in posledično ne potrebuje motornega olja.
0
KIA Stonic KIA Niro KIA e-Soul
Primerjava specifikacij olj in tehničnih podatkov za tri primerljiva vozila z različnimi pogonskimi sklopi
44
Preglednica 4.2: Specifikacije olj za vsa tri vozila [42]
Vozilo KIA Stonic 1.0 T-GDi KIA Niro KIA e-Soul Količina
motornega olja [l] 3,6 3,8 /
Interval menjave
(kilometri/meseci) 15000/12 15000/12 /
Gradacija olja API SN PLUS ACEA AS /
Priporočena
viskoznost olja 0W-20 5W-30 /
Sedaj bomo naredili primerjavo, koliko bo kupec moral odšteti za menjavo olja v obdobju desetih let za vozilo ICEV in HEV. Videli bomo, kakšna bo cenovna razlika v primerjavi z EV kjer ni potrebno kupovati motornega olja. Predpostavimo, da bo vozilo v tem obdobju prevozilo 150.000 km, kot je predpisano. Najprej moramo izbrati vrsto olja, ki jo bomo uporabili v obeh vozilih. Pozorni moramo biti na to, da izberemo pravilno viskoznost olja.
Za oba avtomobila smo izbrali motorno olje z ustrezno viskoznostjo, ceno pa smo določili kot srednjo vrednost v intervalu cene.
Če v enem letu pri menjavi porabimo 3,6 l oziroma 3,8 l motornega olje je potrebno to vrednost pomnožiti z 10 in dobili bomo količino porabljenega olja v desetih letih. Za ICEV to znaša 36 l motornega olja, za HEV pa 38 l motornega olja. Če to vrednost pomnožimo s ceno olja, bomo dobili približno vrednost, ki jo mora kupec odšteti za olje v desetih letih.
Končne vrednosti so prikazane v preglednici 4.3.
Preglednica 4.3: Cena za menjavo olja v ICEV in HEV
KIA Stonic 1.0 T-GDi KIA Niro podlagi motornega olja. Dodati je treba, da v ceno ni vključena cena servisiranja, ki vključuje menjavo olja, filtrov, itd. Opazimo lahko, da bi pri menjavi olja v vozilu HEV privarčevali nekaj več kot 100 EUR v primerjavi z menjavo v ICEV.
Primerjava specifikacij olj in tehničnih podatkov za tri primerljiva vozila z različnimi pogonskimi sklopi
45 Sedaj pa bomo podobno primerjavo naredili še za menjalniško olje, da vidimo, kolikšna je razlika v ceni in kakšni so intervali menjanja, če sploh obstajajo. Podatki za vsa tri vozila in njihova menjalniška olja so prikazana v preglednici 4.4.
Preglednica 4.4: Primerjava cen menjalniškega olja [43-45]
KIA Stonic 1.0
Interval menjave [km] 120000
Pregled pri 60000, Menjava pri
120000
150000 Vrsta olja Olje proizvajalca Olje proizvajalca Olje proizvajalca Cena olja na liter
[EUR] 9,90 9,90 11,90
Končna cena olja
[EUR] 16,8 16,8 16,60
Kot lahko vidimo, so cene precej nizke pri vseh treh vozilih. V nekaterih električnih vozilih ni potrebna menjava menjalniškega olja, v tem primeru pa ga je potrebno zamenjati pri 150000 km. Opazimo lahko, da je pri hibridnem avtomobilu predpisana kontrola olja, ko vozilo doseže 60000 km oziroma ob starosti 48 mesecev. To je predvideno zato, da se preveri kvaliteta olja.
Na sliki 4.3 imamo grafičen prikaz primerjave stroškov za motorno in menjalniško olje pri vseh treh vozilih. Ugotovimo lahko, da je v desetletni ceni za olje razlika med ICEV in HEV vozilom približno 100 EUR, pri EV pa je prihranek na račun dejstva, da ne potrebujemo motornega olja. Po drugi strani namreč ni razlike v desetletnem strošku olja za menjalnik.
Primerjava specifikacij olj in tehničnih podatkov za tri primerljiva vozila z različnimi pogonskimi sklopi
46
Slika 4.3: Grafičen prikaz primerjave desetletnih stroškov za motorno in menjalniško olje za vsa tri vozila
0 100 200 300 400 500 600
KIA Stonic KIA Niro KIA e-Soul
Cena [EUR]
Cena motornega olja Cena menjalniškega olja
47
5 Diskusija
Tehnologija električnih vozil je še vedno mlada, vprašanj, kako prepričati kupca ter zadostiti okoljevarstvenim zahtevam, pa ni videti konca. V želji po izpolnitvi teh zahtev pa se proizvajalci pri razvoju električnih avtomobilov srečujejo z veliko izzivi.
Pomemben del teh raziskav predstavljajo tudi raziskave maziv in njihove vloge ter obnašanje v električnem avtomobilu. Glede na to, da so iz vozila umaknili motor z notranjim zgorevanjem ter ga nadomestili z električnim motorjem, se pojavlja mnogo vprašanj o tem, kakšne lastnosti mora imeti mazivo. Zaradi visokega navora ob delovanju avtomobila je bilo treba poskrbeti za preprečevanje prevelike obrabe zaradi trenja, poiskati pa je treba dobro rešitev za problem penjenja. V električnih vozilih imajo veliko vlogo toplotne in električne lastnosti maziva s poudarkom na stabilnosti pri visokih temperaturah in dobri električni upornosti ter dielektrični moči. V električnih vozilih namreč prihaja do zelo visokih temperatur, naloga maziva pa je zagotavljanje boljšega odvoda toplote. Le tega lahko dosežemo z nižanjem viskoznosti maziva. V primeru prenizke viskoznosti pa bi prihajalo do večjega števila kontaktov med vršički obeh površin zaradi tanjšega mazalnega filma, kar bi lahko pomenilo večjo obrabo in posledično okvare. Zato je izrednega pomena uporaba maziv, ki ustrezajo specifikacijam in standardom proizvajalca vozila.
V električnih vozilih je veliko sestavnih delov narejenih iz bakra, saj je le-ta dober električni prevodnik. Medtem ko je zaželeno, da je mazivo dobro kompatibilno z bakrom, pa se moramo zavedati tudi problemov, ki jih prinaša baker. Baker je namreč znan kot katalizator, ki pospešuje oksidacijo olja, oksidacija pa privede do korozije in višje viskoznosti olja. Ena izmed težav, s katero se proizvajalci niso srečevali pri izdelavi vozil z motorjem na notranje zgorevanje, je prisotnost električnega polja. Električno polje je eden izmed glavnih vzrokov za nastajanje mikro mehurčkov, ki destabilizirajo mazivo, ter pojava elektro-omočljivosti, ki vpliva na debelino mazalnega filma in trenje.
Skupaj z mazivi se spreminja tudi potreba po določenih aditivih in njihova uporaba. V električnih vozilih imajo vidnejšo vlogo aditivi za spreminjanje prevodnosti maziva. Zaradi zahtevane nizke viskoznosti se bo najverjetneje povečala zahteva po aditivih FM in AW, ki bodo zadolženi za preprečevanje prehitre obrabe. Zaradi kontakta maziva z bakrom se bo povečala uporaba antioksidantov, saj bo prihajalo do večje oksidacije.
Diskusija
48
Pri raziskovalcih se je veliko vprašanj pojavljalo na temo masti in njihove vloge v električnih vozilih. Potrebe po masti v avtomobilih so se v zadnjih tridesetih letih zelo spremenile, saj je bila v starejših vozilih potrebna menjava masti, medtem ko so novejša vozila mazana s mastjo, katere življenjska doba zdrži skozi celotno uporabo. Trdimo lahko, da se potreba po masti v prihodnosti ne bo zmanjšala, največji izziv pa bo napoved njene uporabe v prihodnosti.
Ob primerjavi cen menjave olja za tri vozila z različnimi pogoni smo lahko opazili, da je razlika med voziloma KIA Stonicom in KIA e-Soulom nekaj manj kot 500 EUR, kar pa je majhna vsota v primerjavi s tem, kar bi morali odšteti za nakup električnega vozila. Do ugodnega nakupa električnega vozila je še vedno dolga pot, saj je trenutna zanesljivost konvencionalnega vozila z motorjem na notranje zgorevanje veliko večja kot pri električnem vozilu. Delček te zanesljivosti pa bi lahko prinesli tudi uspešni premiki na področju razvoja maziv za električne pogone.
V preglednici 5.1 je narejen skupen povzetek, ki prikazuje glavne specifičnosti EV, kako te vplivajo na mazivo in nadalje na mazanje kontakta.
Preglednica 5.1: Glavne specifičnosti EV in njihov vpliv na mazivo in mazanje kontakta
Specifičnost EV Vpliv na mazivo Vpliv na mazanje/kontakt
Visok navor/hitro
povečevanje hitrosti Penjenje Nezmožnost mazalnega
filma za prenašanje visokih obremenitev
Visoke temperature
Nižja viskoznost Tanjši mazalni film, boljši odvod toplote
materialov Korozija Poškodbe in lomi sestavnih
delov
Kontakt z bakrom Oksidacija
Korozija, višja viskoznost
Električni kontakti Zahteva po nizki električni prevodnosti
Odstranjevanje statičnih nabojev
Električni tok Električna razelektritev Korozija
Kemična oksidacija Izguba mazalnih lastnosti
49
6 Zaključki
V diplomski nalogi je bilo predstavljeno, kakšne so zahteve za maziva v električnih pogonih in katere lastnosti so najpomembnejše, katere komponente morajo biti mazane ter kakšne so potrebe po aditivih v električnih vozilih.
Ugotovljeno je bilo sledeče:
1) Maziva v električnih vozilih morajo biti kompatibilna z bakrom in s polimeri v komponentah vozila, imeti morajo nižjo viskoznost za boljši odvod toplote in stabilnost pri visokih delovnih temperaturah. Mazivo ne sme reagirati z elektriko, zaradi veliko stika z bakrom pa mora biti odporno na oksidacijo.
2) Trije kritični mehanizmi, ki so posledica vpliva električnega polja so: degradacija, nastajanje mikro mehurčkov in elektro-omočljivost. Ustrezen nadzor vseh treh mehanizmov v HEV/EV je ključen, saj bistveno vplivajo na debelino mazalnega filma in trenje ter s tem na kakovost mazanja.
3) Nadzor toplote je zelo pomemben za optimalno zmogljivost električnega motorja. Slab nadzor toplote privede do povišanja upornosti bakrenih žic, kar zmanjša učinkovitost motorja.
4) Treba bo poskrbeti za pravilno hlajenje baterije s hladilno tekočino. V primeru pregretja baterije lahko pride do skrajšanja življenjske dobe in možnosti požara. Treba je poiskati način, kako izvesti direktno hlajenje baterije.
5) Uporaba masti v EV/HEV bo tudi v prihodnosti zelo pomembna, saj imajo električni avtomobili veliko komponent, ki morajo biti mazane z mastjo. Največji izziv pri razvoju masti je predpostavljanje potreb za električne pogone v prihodnosti.
6) Potrebe po aditivih v EV/HEV se razlikujejo od ICEV. Prednost imajo aditivi za spreminjanje prevodnosti maziva. Aditivi v EV morajo poskrbeti za dobre lastnosti pri odvodu toplote, zaščito pri visokih hitrostih ter zaščito pred oksidacijo.
7) V primeru proizvajalca KIA bi v obdobju desetih let za menjavo motornega olja pri ICEV odšteli 493,2 EUR, pri HEV 387,6 EUR, medtem ko ne bi pri EV odšteli nič.
Cena menjave menjalniškega olja se pri vseh treh vozilih ne razlikuje veliko.
Diplomska naloga je pokazala, kakšne so zahteve za maziva v električnih pogonih, kakšne lastnosti se zahtevajo pri teh mazivih in kakšne so zahteve pri aditivih v mazivu.
Zaključki
50
S primerjavo treh vozil z različnimi pogoni pa je bilo ugotovljeno, koliko bi v obdobju desetih let odšteli za menjavo motornega in menjalniškega olja.
Literatura
[1] M. Kalin: Maziva in mazanje: zapiski za predavanja. Ljubljana, 2011
[2] T. Mang, W. Dresel: Lubricants and Lubrication. Wiley-VCH GmbH, Weinheim, 2007
[3] R. Fischer, R. Gscheidle, U. Heider, B. Hohmann, W. Keil, M. Jochen, B. Schlogl, A.Wimmer, G. Wormer: Motorno vozilo: 29. Prenovljena izdaja. Tehniška založba Slovenije, Ljubljana, 2011
[4] V. A. W. Hillier: Delovanje motornega vozila. Tehniška založba Slovenije, Ljubljana, 1994
[5] M. Jeklar, Pregled standardov za maziva pri motorjih na notranje izgorevanje in njihov vpliv na okoljsko problematiko: diplomsko delo, Kamnik, 2020.
[6] MFAME – Watch out – Foaming in Lubricating Oils! Dostopno na:
https://mfame.guru/watch-out-foaming-in-lubricating-oils/, ogled: 22.7.2021 [7] Machinery Lubrication – Oil condition monitoring using electrical conductivity.
Dostopno na: https://www.machinerylubrication.com/Read/29407/oil-condition-monitoring, ogled: 22.7.2021
[8] Wikipedija – Prosta enciklopedija. Dostopno na:
https://sl.wikipedia.org/wiki/Dielektričnost, ogled: 31.7.2021
[9] L. R. Rudnick: Lubricant additives: chemistry and applications. Taylor & Francis Group, Boca Raton, 2009
[10] Y. Chen, S. Jha, A. Raut, W. Zhang, H. Liang: Performance Characteristics of Lubricants in Electric Vehicles: A review of Current and Future Needs, Front. Mech.
Eng. 2020. 6:571464
[11] J. Van Rensselar: The Tribology of electric vehicles. Tribol. Lubr. Technol. 2019. 75, 34-6
[12] F. He, G. Xie, J. Luo: Electrical bearing failures in electric vehicles. Friction 8, 4-28 (2020)
[13] R. I. Taylor: Energy Efficiency, Emissions, Tribological Challenges and Fluid Requirements of Electrified Passenger Car Vehicles. Lubricants 2021, 9, 66.
Literatura
[14] A. B. Vipper, G. M. Balak, N. A. Ponomarenko: Catalytic effect of copper on oxidation of petroleum oil with additives. Chem Technol Fuels Oils 24, 353-356 (1988)
[15] J. H. T. Brook, J. B. Matthews: Iron and copper as catalysts in the oxidation of hydrocarbon lubricating oils. Discussions of the Faraday Society 10, 1951
[16] Machinery Lubrication – Lubricant Oxidation and Remaining Useful Life Testing.
Dostopno na: https://www.machinerylubrication.com/Read/596/lubricant-oxidation, ogled: 31.7.2021
[17] S. C. Tung, M. Woydt, R. Shah: Global Insights on Future Trends of Hybrid/EV Driveline Lubrication and Thermal Management. Front. Mech. Eng., 2020, 6:571786
[18] nitiFILTER – Oil change: When should you change the oil? Dostopno na:
https://nitifilter.com/en/oil-change-when-should-you-change-the-oil/, ogled:
31.7.2021
[19] Wikipedija – Prosta enciklopedija. Dostopno na:
https://en.wikipedia.org/wiki/Electrowetting, ogled: 31.7.2021
[20] H. Cong, H. Pan, D. Qian, H. Zhao, Q. Li: Reviews on Sulphur Corrosion
Phenomenon of the Oil-paper Insulating System in Mineral Oil Transformer. High Voltage 6, 2020
[21] Choo, J., et al., Friction reduction in low-load hydrodynamic lubrication with a hydrophobic surface. Tribology International, 2007. 40(2): p. 154-159.
[22] Guo, L., P. Wong, and F. Guo: Correlation of Contact Angle Hysteresis and Hydrodynamic Lubrication. Tribology Letters, 2015. 58(3): p. 1-9.
[23] Kalin, M. and M. Polajnar: The Effect of Wetting and Surface Energy on the Friction and Slip in Oil-Lubricated Contacts. Tribology Letters, 2013. 52(2): p. 185-194.
[24] Kalin, M., I. Velkavrh, and J. Vižintin: The Stribeck curve and lubrication design for non-fully wetted surfaces. Wear, 2009. 267(5): p. 1232-1240.
[25] Polajnar, M. and M. Kalin: Effect of the Slide-to-Roll Ratio and the Contact
Kinematics on the Elastohydrodynamic Friction in Diamond-Like-Carbon Contacts with Different Wetting Behaviours. Tribology Letters, 2015. 60(1): p. 1-10.
[26] Guo, F., et al., Experimental Study on Lubrication Film Thickness Under Different Interface Wettabilities. Tribology Letters, 2014. 54(1): p. 81-88.
[27] Fu, Z., P. Wong, and F. Guo: Effect of Interfacial Properties on EHL Under Pure Sliding Conditions. Tribology Letters, 2013. 49(1): p. 31-38.
[28] Jahanmir, S., A.Z. Hunsberger, and H. Heshmat: Load capacity and durability of H-DLC coated hydrodynamic thrust bearings. Journal of tribology, 2011. 133(3).
[29] Ponjavic, A. and J.S. Wong: The effect of boundary slip on elastohydrodynamic lubrication. RSC Advances, 2014. 4(40): p. 20821-20829.
[30] Wong, P., X. Li, and F. Guo: Evidence of lubricant slip on steel surface in EHL contact. Tribology International, 2012.
[31] Zhu, Y. and S. Granick: Limits of the hydrodynamic no-slip boundary condition.
Physical review letters, 2002. 88(10): p. 106102.
Primerjava specifikacij olj in tehničnih podatkov za tri primerljiva vozila z različnimi pogonskimi sklopi
[32] Kim, JH., Lee, JH., Mirzaei, A. et al. Electrowetting-on-dielectric characteristics of ZnO nanorods. Sci Rep 10, 14194 (2020)
[33] Tec-Science – Transient-Hot-Wire method for determining thermal conductivity (THW). Dostopno na: https://www.tec-science.com/thermodynamics/heat/transient-hot-wire-method-method-for-determining-thermal-conductivity-thw/, ogled:
28.7.2021
[34] InsideEVs – Tesla or GM: Who Has The Best Battery Thermal Management.
Dostopno na: https://insideevs.com/news/328909/tesla-or-gm-who-has-the-best-battery-thermal-management/, ogled: 31.7.2021
[35] Newsroom – The battery: Sophisticated thermal management, 800-volt system voltage. Dostopno na:
https://newsroom.porsche.com/en_AU/products/taycan/battery-18557.html, ogled:
1.8.2021
[36] Shah, R., Tung, S., Chen, R., Miller, R. Grease Performance Requirements and Future Perspectives for Electric and Hybrid Vehicle Applications. Lubricants 2021, 9, 40
[37] Ležaji.si – Vrste masti in dodatkov v masteh. Dostopno na:
http://www.lezaji.si/2019/03/25/vrste-masti-in-dodatkov-v-masteh/, ogled:
27.8.2021
[38] Peskoe-Yang, L. Electric vehicles make grease's future uncertain. Tribology &
Lubrication Technology (2020), p. 24-25
[39] Automobile catalog – Kia Stonic 1.0 T-GDI 120. Dostopno na:
https://www.automobile-catalog.com/auta_details1.php, ogled: 4.8.2021 [40] Automobile catalog – Kia Niro Hybrid 6DCT. Dostopno na:
https://www.automobile-catalog.com/auta_details1.php, ogled: 4.8.2021 [41] Automobile catalog – Kia e-Soul 204. Dostopno na:
https://www.automobile-catalog.com/auta_details1.php, ogled: 4.8.2021
[42] KIA – Engine Oil Grades and Capacities. Dostopno na:
https://www.kia.com/content/dam/kwcms/kme/uk/en/assets/static/owners/service-maintenance/Oil-Grades-and-Capacities.pdf, ogled: 5.8.2021
[43] CARARAC – Recommended Transmission Oil for the Kia Stonic. Dostopno na:
https://cararac.com/gear_oil/kia/stonic.html, ogled: 6.8.2021
[44] CARARAC – Recommended Transmission Oil fort he Kia Niro. Dostopno na:
https://cararac.com/gear_oil/kia/niro.html, ogled: 6.8.2021
[45] AMSOIL – Kia Soul EV. Dostopno na: https://www.amsoil.com/lookup/auto-and-light-truck/2018/kia/soul-ev/0/, ogled: 6.