• Rezultati Niso Bili Najdeni

Pregled zahtev in trendov maziv za električne pogone

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Pregled zahtev in trendov maziv za električne pogone"

Copied!
82
0
0

Celotno besedilo

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Pregled zahtev in trendov maziv za električne pogone

Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo

Jan Kavčič

Ljubljana, september 2021

(2)
(3)
(4)
(5)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Pregled zahtev in trendov maziv za električne pogone

Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo

Jan Kavčič

Mentor: doc. dr. Marko Polajnar Somentor: prof. dr. Mitjan Kalin

Ljubljana, september 2021

(6)
(7)
(8)
(9)

v

Zahvala

Za pomoč pri izdelavi diplomske naloge bi se v prvi vrsti zahvalil mentorju prof. doc. dr.

Marku Polajnarju, ki me je med izdelavo diplomske naloge ves čas vodil in usmerjal s svojim znanjem in nasveti. Prav tako gre zahvala za pomoč tudi somentorju prof. dr. Mitjanu Kalinu.

Posebna zahvala pa gre moji družini, ki me je med študijem in pisanjem diplomske naloge ves čas spodbujala in podpirala.

(10)

vi

(11)

vii

(12)

viii

(13)

ix

Izvleček

UDK 621.313.13:621.892(043.2) Tek. štev.: VS I/944

Pregled zahtev in trendov maziv za električne pogone

Jan Kavčič

Ključne besede: električni pogoni zahteve

maziva aditivi

električne lastnosti viskoznost

Okoljevarstvene zahteve in zakonodajno okolje narekujeta velike spremembe v mobilnosti, ki bodo v prihajajočih letih močno povečale delež hibridnih ter predvsem električnih vozil.

Ena glavnih razlik teh pogonov v primerjavi s konvencionalnimi je drugačen način delovanja, kot je nenadna prekinitev in zagon motorja z notranjim zgorevanjem pri hibridnih vozilih, ali celo njegova popolna odsotnost pri električnih vozilih. Vse te razlike v načinu delovanja, kot tudi odsotnost določenih komponent in prisotnost drugih, pa pri električnih pogonih ustvarjajo drugačne zahteve glede maziv in mazanja in postavljajo v ospredje druge karakteristike delovanja in lastnosti maziv. Tako so v takih sistemih bolj kritične lastnosti maziv, ki se jim do sedaj zaradi uporabe v pogonih z motorji z notranjim zgorevanjem ni posvečalo posebne pozornosti. Vse to bo v prihodnjih letih vodilo v razvoj novih in namensko prilagojenih maziv s specifičnimi lastnostmi za električne pogone.

(14)

x

(15)

xi

Abstract

UDC 621.313.13:621.892(043.2) No.: VS I/944

An overview of lubricant requirements and trends for electric drives

Jan Kavčič

Key words: electric drives requirements lubricants additives

electrical properties viscosity

Environmental requirements and regulatory environments call for major changes in mobility, which will significantly increase the share of both hybrid and especially electric vehicles in the coming years. One of the main differences between these types of drives compared to the conventional ones is a different mode of operation, such as the sudden stop and start of the internal combustion engine in hybrid vehicles, or even its complete absence in electric vehicles. All these differences in the mode of operation, as well as the absence of certain components and the presence of others in electric drives, create different requirements for lubricants and lubrication, and put different performance characteristics and properties of lubricants in the foreground. Therefore, in such systems the properties of lubricants are more critical, to which no special attention has been paid so far due to their use in internal combustion engine drives. In the coming years, this will lead to development of new and purposefully adapted lubricants with specific properties for electric drives.

(16)

xii

(17)

xiii

Kazalo

Kazalo slik ... xvii

Kazalo preglednic ... xix

Seznam uporabljenih simbolov ... xxi

Seznam uporabljenih okrajšav ... xxiii

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Cilji ... 1

2 Maziva ... 3

2.1 Režimi mazanja in vplivi na debelino mazalnega filma ... 3

2.1.1 Stribeckova krivulja ... 3

2.1.2 Hidrodinamično mazanje ... 4

2.1.3 Elasto-hidrodinamično mazanje (EHD)... 5

2.1.4 Mešano mazanje ... 5

2.1.5 Mejno mazanje ... 5

2.2 Vrste maziv ... 6

2.2.1 Mineralna bazna olja ... 7

2.2.2 Sintetična bazna olja ... 8

2.2.3 Biološko razgradljiva olja ... 9

2.3 Fizikalne lastnosti maziv ... 9

2.3.1 Viskoznost ... 10

2.3.1.1 Dinamična viskoznost ... 10

2.3.1.2 Kinematična viskoznost ... 11

2.3.1.3 Razredi viskoznosti po SAE standardu ... 12

2.3.1.4 Odvisnost viskoznosti od temperature ... 14

2.3.1.5 Odvisnost viskoznosti od tlaka ... 14

2.3.1.6 Razmerje viskoznost – strižno razmerje (viskoznost HTHS) ... 14

2.3.1.7 Indeks viskoznosti (IV) ... 15

2.3.2 Točka tečenja ... 15

2.3.3 Plamenišče ... 15

2.3.4 Točka gorenja ... 16

2.3.5 Penjenje ... 16

2.3.6 Oksidacijska stabilnost ... 16

2.3.7 Nevtralizacijsko število ... 16

2.3.8 Gostota in specifična teža ... 17

(18)

xiv

2.3.9 Električne lastnosti ... 17

2.3.9.1 Električna prevodnost ... 17

2.3.9.2 Dielektričnost ... 17

2.4 Aditivi ... 17

2.4.1 Modifikatorji trenja (FM) ... 18

2.4.2 Protiobrabni aditivi (AW) ... 18

2.4.3 Aditivi za visoke tlake (EP) ... 18

2.4.4 Antioksidanti ... 18

2.4.5 Antikorozijski aditivi ... 19

2.4.6 Aditivi za kontrolo kontaminacije ... 19

2.4.7 Izboljševalci viskoznosti ... 19

2.4.8 Inhibitorji pene ... 19

2.4.9 Zniževalci točke tečenja ... 19

3 Primerjava mazanih sklopov in maziv med pogonom z motorjem z notranjim zgorevanjem in električnim pogonom .. 21

3.1 Uvod v električna vozila ... 21

3.1.1 Zahteve in izzivi pri EV in HEV ... 22

3.1.2 Glavni povodi za izdelavo EV ... 22

3.1.2.1 Energijska učinkovitost ... 22

3.1.2.2 Potencial za nižje CO2 emisije ... 23

3.1.2.3 Zmanjšanje emisij trdnih delcev in NOX ... 23

3.1.2.4 Potencial za nižje cene lastništva ... 23

3.2 Maziva v EV ... 23

3.2.1 Karakteristike maziv za EV ... 24

3.2.2 Uporaba maziv v vozilih ... 24

3.2.3 Zahteve za EV maziva ... 26

3.2.4 Električne lastnosti maziv... 28

3.2.5 Toplotne lastnosti maziv... 30

3.2.6 Vpliv maziva na delovanje električnega vozila ... 32

3.2.6.1 Trenje ... 32

3.2.6.2 Nadzor toplote ... 33

3.2.7 Uporaba masti v EV in njihova prihodnost ... 34

3.3 Aditivi za maziva v EV ... 36

3.4 Standardi za maziva ... 38

4 Primerjava specifikacij olj in tehničnih podatkov za tri

primerljiva vozila z različnimi pogonskimi sklopi ... 41

(19)

xv

5 Diskusija ... 47

6 Zaključki ... 49

Literatura ... 51

(20)

xvi

(21)

xvii

Kazalo slik

Slika 2.1: Stribeckova krivulja in debelina mazalnega filma [2] ... 4

Slika 2.2: Nastanek hidrodinamičnega filma pri vrtenju ležaja [2] ... 4

Slika 2.3: Primeri kontaktov, pri katerih se pojavi EHD mazanje [2] ... 5

Slika 2.4: Mejno mazanje [2] ... 6

Slika 2.5: Mazanje s tekočimi mazivi [3] ... 7

Slika 2.6: Postopek destilacije nafte [3] ... 8

Slika 2.7: Površini, ki ju ločuje plast tekočine [2]... 11

Slika 2.8: Primerjava delovnih območij nekaterih gradacij [2] ... 13

Slika 2.9: Odvisnost viskoznosti od temperature [2] ... 15

Slika 3.1: Prikaz različnih vrst pogonov [10] ... 21

Slika 3.2: Prikaz glavnih sestavnih delov v EV, HEV in ICEV, kjer je potrebno mazanje (zgoraj – Tesla EV, sredina – Volkswagen HEV, spodaj – Subaru Forester ICEV) [10] ... 26

Slika 3.3: Degradacija olja pod vplivom električnega polja [20] ... 29

Slika 3.4: (a) Kot omočljivosti v stanju brez vpliva električne napetosti. (b) Kot omočljivosti pod vplivom električne napetosti [32] ... 30

Slika 3.5: Prehodna metoda z vročo žico [33]... 31

Slika 3.6: a) Približan modul cevi in baterijske celice. b) Eden izmed šestnajstih modulov hladilnega sistema [34] ... 32

Slika 3.7: Primerjava trenja pri EV in ICEV. (A) koeficient trenja v odvisnosti od časa. (B) koeficient trenja v odvisnosti od Stribeckovega parametra [10] ... 32

Slika 3.8: Shematičen prikaz hladilnega kroga pri PORSCHE Taycanu [35]... 34

Slika 4.1: (a) KIA Stonic – ICEV. (b) KIA Niro – HEV. (c) KIA e-Soul ... 41

Slika 4.2: Prikaz razvoja hitrosti za vsa tri vozila [39-41] ... 43

Slika 4.3: Grafičen prikaz primerjave desetletnih stroškov za motorno in menjalniško olje za vsa tri vozila ... 46

(22)

xviii

(23)

xix

Kazalo preglednic

Preglednica 2.1: Klasifikacija viskoznosti SAE J300 za nizko temperaturne viskoznosti ... 12 Preglednica 2.2: Klasifikacija viskoznosti SAE J300 za visoko temperaturne viskoznosti ... 12 Preglednica 3.1: Primerjava med ICEV in EV [10] ... 22 Preglednica 3.2: Primerjava lastnosti med EV/HEV in ICEV [10, 17]... 24 Preglednica 3.3: Uporaba maziv v ICEV, HEV in EV [10] ... 25 Preglednica 3.4: Primerjava glavnih lastnosti maziv in njihovih zahtev v ICEV in EV [10] ... 27 Preglednica 3.5: Vrste masti in njihove lastnosti [36-37] ... 35 Preglednica 3.6: Aditivi ki spreminjajo prevodnost maziva [10] ... 36 Preglednica 3.7: Zaželene lastnosti aditivov v EV/HEV za različna maziva [17] ... 37 Preglednica 3.8: Vrste aditivov in potrebo po njih v mazivih za EV/HEV in ICEV [10] ... 37 Preglednica 3.9: Testi ASTM za električne lastnosti maziv [36] ... 39 Preglednica 3.10: Testi ASTM za funkcijska maziva ali masti [36] ... 39 Preglednica 4.1: Tehnični podatki za tri primerjana vozila [39-41] ... 42 Preglednica 4.2: Specifikacije olj za vsa tri vozila [42] ... 44 Preglednica 4.3: Cena za menjavo olja v ICEV in HEV ... 44 Preglednica 4.4: Primerjava cen menjalniškega olja [43-45] ... 45 Preglednica 5.1: Glavne specifičnosti EV in njihov vpliv na mazivo in mazanje kontakta ... 48

(24)

xx

(25)

xxi

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

A m2 površina plošče

D Asm-2 gostota električnega polja

E Vm-1 jakost električnega polja

F

T N

K pritisna normalna sila temperatura

h m debelina mazalnega filma

K p

m2s-2 Pa

konstanta viskozimetra tlak

t s čas

u ms-1 drsna hitrost

v α

m2s-1 m2N-1

kinematična viskoznost koeficient tlak-viskoznost

ε AsV-1m-1 dielektričnost

τ Pa strižna napetost

η Pas dinamična viskoznost

ρ kgm-3 gostota

Indeksi

ref referenčna

0 delovna

(26)

xxii

(27)

xxiii

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

ACEA Združenje evropskih proizvajalcev avtomobilov (fr. Association des Constructeurs Européens de Automobiles)

ASTM Ameriško društvo za preskušanje in materiale (angl. American Society for Testing and Materials)

AW protiobrabni aditivi (angl. Anti-Wear)

BEV baterijski tip električnega vozila (angl. Battery Electric Vehicle) BDL mejno mazanje (angl. Boundary Lubrication)

CO2 ogljikov dioksid

DCT menjalnik z dvojno sklopko (angl. Dual Clutch Transmission) EHD elasto-hidrodinamično mazanje (angl. Elastohydrodynamic

Lubrication)

EP aditivi za visoke tlake (angl. Extreme Pressure) EV električno vozilo (angl. Electric Vehicle)

FCEV baterijski tip električnega vozila z gorivnimi celicami (angl. Fuel Cell Electric Vehicle)

FM modifikatorji trenja (angl. Friction Modifiers) GBP britanski funt (angl. Great British Pound)

HDL hidrodinamično mazanje (angl. Hydrodynamic Lubrication) HEV hibridno električno vozilo (angl. Hybrid Electric Vehicle)

HTHS visoka temperatura visoko striženje (angl. High Temperature High Shear)

IV indeks viskoznosti (angl. Viscosity index)

ICEV vozilo z motorjem z notranjim zgorevanjem (angl. Internal Combustion Engine Vehicle)

KOH kalijev hidroksid

ML mešano mazanje (angl. Mixed Lubrication)

MoDTC molibdenov ditiokarbamat (angl. Molybdenum Dithiocarbamate) NOX splošna oznaka za dušikov oksid

OEM proizvajalec originalne opreme (angl. Original Equipment Manufacturer)

PHEV priključno hibridno električno vozilo (angl. Plug-in Hybrid Electric Vehicle)

PIB poliizobutilen (angl. Polyisobutenyl) PM trdni delci (angl. Particulate Matter)

RBOT preizkus oksidacije z rotacijsko bombo (angl. Rotating Bomb Oxidation Test)

SAE Društvo avtomobilskih inženirjev (angl. Society of Automotive Engineers)

TAN skupno kislinsko število (angl. Total Acid Number) TBN skupno bazno število (angl. Total Baric Number)

ZDDP cinkov dialkilditiofosfat (angl. Zinc Dialkyldithiophosphate)

W zima (angl. Winter)

(28)

xxiv

(29)

1

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

Tematika okolju prijaznih vozil je že dalj časa aktualna, v zadnjih letih pa je bilo moč opaziti, kako proizvajalci osebnih avtomobilov vse več pozornosti preusmerjajo v izdelavo električnih in hibridnih vozil. Pri tem spremembe v pogonih osebnih avtomobilov močno narekujejo predvsem okoljevarstvene zahteve in zakonodaja. Primer tega je švedsko podjetje Volvo, ki se je z letom 2019 popolnoma odpovedalo razvijanju avtomobilov z motorji na notranje zgorevanje. S preusmeritvijo na električne pogone pa se bo vsako podjetje srečevalo z izzivi, ki jih prinašata mazanje takih pogonov in ustrezna izbira maziv. Maziva so namreč v večini še vedno prilagojena pogonom z motorjem z notranjim zgorevanjem, medtem ko bodo električni pogoni zahtevali njim prilagojena maziva s specifičnimi lastnostmi in aditivi.

1.2 Cilji

Cilj te diplomske naloge je narediti pregled obstoječih raziskav na področju maziv za električne pogone, s poudarkom na specifičnih zahtevah maziv za električne pogone, kot so na primer električne in termične lastnosti. V nadaljevanju naloge bo izvedena primerjalna analiza med konvencionalnim pogonom z motorjem na notranje zgorevanje in električnim pogonom s stališča mazanja in izbire maziv. Med seboj bodo primerjane komponente, ki morajo biti mazane, lastnosti maziva, ki so kritične pri enem in drugem sistemu, in primernost maziv za posamezen sistem. Glede na parametre delovanja bo raziskano, ali je za električne pogone potrebno v olja dodati enake aditive kot pri konvencionalnih pogonih, ter kakšne so potrebne koncentracije aditivov. V zaključku bo opravljena primerjava specifikacij olj in tehničnih podatkov za tri primerljiva vozila z različnimi pogonskimi sklopi.

(30)

Uvod

2

(31)

3

2 Maziva

2.1 Režimi mazanja in vplivi na debelino mazalnega filma

2.1.1 Stribeckova krivulja

Stribeckova krivulja nam podaja razmejitev režimov mazanja v povezavi s kontaktnimi pogoji in koeficientom trenja [2]. Stribeckov parameter pa je pravzaprav ekvivalent debeline mazalnega filma [1].

Stribeckova krivulja na sliki 2.1 je narisana glede na začetno stanje ležaja in gredi. S povečanjem vrtilne hitrosti gredi nastane debelejši hidrodinamični film maziva. Ko je hitrost nizka, je mazalni film še tanek in tako ne more v polnosti ločevati obeh površin v kontaktu, kar zaradi kontaktov med vršički obeh površin povzroča visok koeficient trenja. S povečanjem hitrosti preidemo v režim mešanega mazanja, kar pomeni, da se koeficient trenja drastično zmanjša na račun debelejšega mazalnega filma. Pri dovolj visoki hitrosti dobimo neprekinjen film po celotni površini, kar še dodatno zmanjša koeficient trenja. Vendar pa se z nadaljnjim povečevanjem hitrosti povečuje viskozno trenje znotraj maziva, kar se odraža v višjem koeficientu trenja [2].

Stribeckov parameter je definiran kot:

𝜂 ∙ 𝑢

𝐹 (2.1)

𝜂 … dinamična viskoznost [Pas]

𝑢 … drsna hitrost [m/s]

𝐹 … pritisna normalna sila [N]

V nadaljevanju bomo na kratko obravnavali režime mazanja in njihove bistvene značilnosti.

(32)

Maziva

4

Slika 2.1: Stribeckova krivulja in debelina mazalnega filma [2]

2.1.2 Hidrodinamično mazanje

Teorijo o hidrodinamičnem mazanju je razvil Reynolds leta 1886, ko je teoretično dokazal, da lahko nek viskozni film s tlakom ločuje dve površini, če se le-ti dovolj hitro gibljeta. Pri tem lahko dosežemo zelo nizke koeficiente trenja (red velikosti 0,00X) [1].

Pogoj je torej plast maziva, ki ločuje dve površini. Da se to pojavi, morata biti površini prilegajoči, torej morata biti enaki po obliki in velikosti [2]. Slika 2.2 prikazuje nastanek hidrodinamičnega mazalnega filma pri vrtenju ležaja.

Slika 2.2: Nastanek hidrodinamičnega filma pri vrtenju ležaja [2]

(33)

Maziva

5

2.1.3 Elasto-hidrodinamično mazanje (EHD)

To je v principu hidrodinamično mazanje, pri čemer so elastične deformacije v kontaktu zaradi visokih tlakov (red velikosti GPa) zelo velike. Viskoznost maziva se zaradi visokega tlaka močno poveča, torej takega maziva ne moremo obravnavati kot nestisljivega. Kontakti, pri katerih se to dogaja, so neskladni kontakti [1]. Kontakti, pri katerih se pojavi EHD mazanje, so prikazani na sliki 2.3.

Slika 2.3: Primeri kontaktov, pri katerih se pojavi EHD mazanje [2]

2.1.4 Mešano mazanje

Kot že samo ime pove, gre za kombinacijo mejnega in hidrodinamičnega mazanja. Površini, ki drsita druga po drugi, se delno dotikata – debelina mazalnega filma ne more več popolnoma ločevati stičnih površin, zato že prihaja do kontaktov med vršički obeh površin [3]. To vrsto mazanja lahko opazimo pri strojnih elementih, ki so običajno hidrodinamično mazani, pri zagonu in izklopu motorja [2].

2.1.5 Mejno mazanje

Mejno mazanje zaznamujejo pogoji, ko hidrodinamični učinki nimajo več pomembne vloge, zato mazalni film ne more več ločevati obeh površin, kar pomeni, da se obremenitev prenaša preko kontaktov vršičkov. Kontroliramo ga z aditivi, ki povzročajo nastanek tanke nizko strižne zaščitne plasti na površini.

Lahko gre tudi za povsem suh kontakt, kjer nas pred adhezijo (zavarjanjem) varujejo oksidni ali drugi tribokemijski filmi [2]. Mejno mazanje je prikazano na sliki 2.4.

(34)

Maziva

6

Slika 2.4: Mejno mazanje [2]

Mejno mazanje delimo glede na temperaturo in tlak, pri čemer za vsako področje veljajo določeni mehanizmi, nadzirani z ustreznimi aditivi.

2.2 Vrste maziv

Maziva so v grobem sestavljena iz baznega olja in aditivov, odvisno od funkcij, ki jih mora olje zagotavljati [1]:

- mazanje, - hlajenje,

- odnašanje obrabljenih delcev, - dušenje vibracij,

- prenašanje aditivov.

Sicer pa sta osnovni funkciji maziv še vedno:

- ščititi površine pred obrabo in - zmanjševanje trenja.

Zgoraj naštete lastnosti mora mazivo ohranjati in zagotavljati skozi celotno življenjsko dobo maziva oz. tekom obratovanja stroja. Tipično mazivo je sestavljeno iz 95 % baze (to nam zagotavlja fizikalne lastnosti) in 5 % aditivov [1].

Baze so lahko naslednjih izvorov [1]:

- mineralnega (teh je v industriji največ in izhajajo iz rafinacije surove nafte),

- sintetičnega (ta so narejena zato, da bi izboljšala nekatere lastnosti, ki jih mineralna olja nimajo) ali

- biološkega (rastlinsko, živalsko).

Vse tri vrste olj, naštete zgoraj, uvrščamo med tekoča maziva. Za tekoča maziva je značilno, da se med drsnima površinama ustvari oljni film. Glede na hitrost medsebojnega drsenja drsnih površin se oblikuje mazalni klin, ki razmika drsni površini [3]. Mazanje s tekočimi mazivi je prikazano na sliki 2.5.

(35)

Maziva

7 Slika 2.5: Mazanje s tekočimi mazivi [3]

2.2.1 Mineralna bazna olja

V industriji so najpogosteje uporabljena in se pridobivajo z rafinacijo nafte. Imajo relativno nizko ceno, torej so zelo dostopna. Imajo pa tudi dobre mazalne lastnosti. Mineralna olja so v svoji sestavi tudi nečista. Nečistoče imajo določene pozitivne in tudi določene negativne lastnosti. Sledi organožveplovih komponent delujejo kot antioksidanti ter izboljšajo lastnosti pri mejnem mazanju, hkrati pa povzročajo usedline in oksidacijo.

Olje torej izhaja iz nafte, ki se pridobiva na različnih črpališčih. Vsako črpališče vsebuje različne vrste surove nafte, torej nam dá vsako črpališče drugačno nafto. Sama kemijska sestava ni toliko različna, se pa razlikuje vsebnost določenih komponent, kar ima za posledico različne fizikalne lastnosti [1]. Nekatere surove nafte imajo majhno vsebnost žvepla in nizko viskoznost, druge pa vsebujejo ogromne količine voska in tečejo le ob segrevanju. Tri najpomembnejše lastnosti surove nafte so [2]:

- količina žvepla, - točka tečenja,

- viskoznost pri 40 °C.

Surova nafta ima zelo kompleksno sestavo. Vsebuje veliko spojin, ki jih pri destilaciji želimo razdeliti na različne produkte. Ta postopek se imenuje frakcionarna destilacija. Postopek poteka tako, da nafto najprej segrejemo do uparjanja, nato pa jo pripeljemo v atmosferski stolp, kjer so številne komore. Določena frakcija, ki ima vrelišče pri določeni temperaturi, v komori na določeni višini kondenzira. Del nafte se pri teh temperaturah ne utekočini. Ta del peljemo v drugi, t.i. vakuumski stolp, kjer dosežemo uparjanje tako, da znižamo tlak [3].

Celoten postopek je natančneje prikazan na sliki 2.6.

(36)

Maziva

8

Slika 2.6: Postopek destilacije nafte [3]

Glede na kemijsko sestavo ločimo naslednje vrste mineralnega olja [1]:

- parafinsko olje, - naftensko olje, - aromatsko olje.

Vsa ta olja imajo enako kemijsko sestavo, vendar različne kemijske strukture. Kemijska sestava pa je pomembna, saj vpliva na točko tečenja, indeks viskoznosti in tlak [1].

2.2.2 Sintetična bazna olja

Razvita so bila v začetku 20. stoletja v državah, kjer niso imeli mineralnih olj. Ta maziva so bila zelo draga. Kasneje je z razvojem specialnih maziv za posebne aplikacije njihova uporabnost rasla, predvsem tam, kjer mineralna olja niso dosegala zahtevanih lastnosti [2].

Z njimi želimo doseči [1]:

- oksidacijsko stabilnost,

- preprečiti padanje viskoznosti s padanjem temperature, - preprečiti strjevanje olj pri nizkih temperaturah in - eksplozivnost.

(37)

Maziva

9 Prednosti sintetičnih baznih olj [1]:

- termična stabilnost, - oksidacijska stabilnost,

- dobro razmerje med viskoznostjo in temperaturo, - dobro tečenje pri nizkih temperaturah,

- veliko temperaturno območje delovanja, - nizka vnetljivost.

Slabosti sintetičnih baznih olj [1]:

- hidrolitična stabilnost,

- korozijsko nevarna za samo površino, - bolj strupena,

- slabše raztapljajo aditive in - cena.

2.2.3 Biološko razgradljiva olja

Vsa zgoraj omenjena olja so težko razgradljiva, kar je zelo neugodno. Zato so v uporabi tudi olja, ki so biološko razgradljiva. Lahko so biološkega ali sintetičnega izvora. Delimo jih v tri podskupine [1]:

- rastlinska olja (repično olje, sončnično olje,…), - poliglikoli in

- sintetični estri.

Ta olja ustrezajo dogovorjenim kriterijem biološke razgradljivosti in so v osnovi najmanj 70 % biološko razgradljiva. Ta olja se uporabljajo iz naslednjih razlogov [2]:

- zaščita okolja,

- nadomeščanje fosilnih goriv, - gospodarska politika.

2.3 Fizikalne lastnosti maziv

Najpomembnejša lastnost maziv je njihova mazalna sposobnost, s katero zmanjšujemo trenje in obrabo.

V tem poglavju si bomo pogledali, katere so glavne lastnosti maziv. V prvem delu je obravnavana viskoznost (tako dinamična kot kinematična), vpliv tlaka, temperature in striga na viskoznost maziv, razredi viskoznosti ter indeks viskoznosti. V drugem delu se bomo osredotočili na lastnosti maziv, ki bodo izpostavljene v nadaljevanju naloge, in sicer primerjalno med mazivi za pogone z motorjem z notranjim izgorevanjem ter mazivi za električne pogone.

(38)

Maziva

10

2.3.1 Viskoznost

Že pri pregledu režimov mazanja smo lahko opazili, da je viskoznost bistvena značilnost maziva, ki vpliva na debelino mazalnega filma in s tem na režime mazanja. Debelina mazalnega filma je namreč proporcionalna viskoznosti.

Ko plast maziva povsem ločuje gibajoči se površini, je edini odpor proti gibanju viskoznost maziva. Je torej lastnost tekočin, s katero se upirajo pretoku. Čim večja je viskoznost, tem večji je odpor – in obratno. Viskoznost prav tako vpliva na stisnjenost maziva med dvema površinama pod vplivom sile – čim večja je viskoznost, tem bolje mazivo prenaša obremenitev [4]. Velja omeniti, da bolj viskozna olja potrebujejo večjo moč za striženje. To posledično pomeni večje izgube moči, generira se več toplote, poveča se temperatura kontaktnih površin in tudi temperatura olja samega, to pa lahko vodi do poškodb površin.

Viskoznost mora biti izbrana tako, da daje optimalne lastnosti pri določeni temperaturi.

Poznavanje temperature, pri kateri naj bi olje delovalo, je kritičnega pomena zaradi velike odvisnosti viskoznosti od temperature. S povečanjem temperature se viskoznost zmanjšuje in olje lažje teče [2].

2.3.1.1 Dinamična viskoznost

Dinamična viskoznost ima ključno vlogo pri mazanju. Debelina mazalnega filma je proporcionalna viskoznosti. Vendar pa po drugi strani zelo viskozna olja povzročajo večje viskozno trenje, kar ima za posledico dvig temperature in padec viskoznosti, kar vodi v tanjši mazalni film. Dinamično viskoznost označimo z 𝜂 in predstavlja upor tekočine proti delovanju strižnih sil. Pri tem predpostavimo, da je oljni film med ploščama sestavljen iz neskončno enako debelih (oziroma tankih) plasti. Če ploščo vlečemo s konstantno hitrostjo, kot je prikazano na sliki 2.7, bo sila, potrebna za premik plošče, enaka [1]:

𝐹 = 𝜂 ∙ 𝐴 ∙𝑢

(2.2)

𝐹 … sila, potrebna za premik plošče [N]

𝜂 … dinamična viskoznost [Pa s]

𝐴 … površina plošče [m2] 𝑢 … hitrost drsenja [m s-1]

ℎ … debelina mazalnega filma [m]

Če silo F delimo s površino plošče A, dobimo strižno napetost 𝜏. Tako iz enačbe 2.2 izpeljemo enačbo za dinamično viskoznost, ki je definirana v enačbi 2.3.

𝜂 = 𝜏

𝑢/ℎ (2.3)

𝜂 … dinamična viskoznost [Pa s]

𝜏 … strižna napetost, ki deluje na površino [Pa]

𝑢 … hitrost drsenja [m s-1]

ℎ … debelina mazalnega filma [m]

(39)

Maziva

11 Slika 2.7: Površini, ki ju ločuje plast tekočine [2]

2.3.1.2 Kinematična viskoznost

Kinematično viskoznost imenujemo razmerje med dinamično viskoznostjo in gostoto.

Merimo jo v [m2/s] in se uporablja bolj pogosto kot dinamična viskoznost, ker je neodvisna od volumna in jo je lažje meriti. Določimo jo z uporabo kapilarnega viskozimetra, pri čemer merimo čas tečenja maziva med dvema določenima točkama [5]. Izračunamo je tako, da izmerjen čas pomnožimo s konstanto viskozimetra (enačba 2.4).

𝑣 = 𝑘 ∙ 𝑡 (2.4)

𝑣 … kinematična viskoznost [m2s-1] 𝑘 … konstanta viskozimetra [m2s-2] 𝑡 … čas [s]

Kinematična viskoznost je z dinamično povezana preko gostote in sicer jo izračunamo po enačbi 2.5.

𝑣 =𝜂

𝜌 (2.5)

𝑣 … kinematična viskoznost [m2s-1] 𝜂 … dinamična viskoznost [Pas]

𝜌 … gostota [kgm-3]

(40)

Maziva

12

2.3.1.3 Razredi viskoznosti po SAE standardu

Razred viskoznosti je popisan s standardom SAE, natančneje SAE J300. Društvo SAE je razvrstilo motorna olja in olja za menjalnike (po viskoznosti) v razrede, ki so primerni za različna temperaturna območja [3]. V preglednici 2.1 je prikazana klasifikacija viskoznosti SAE J300 za nizko temperaturne viskoznosti.

Preglednica 2.1: Klasifikacija viskoznosti SAE J300 za nizko temperaturne viskoznosti

Gradacija viskoznosti

SAE

Viskoznost pri nizkih

temperaturah Viskoznost pri visokih temperaturah

Viskoznost a mPa s pri °C

Mejna temp.

črpanja b največ 60 Pas

pri °C

Kinematična viskoznost c

mm2/s pri 100 °C (najmanj)

Kinematična viskoznost c

mm2/s pri 100 °C (največ)

HTHS viskoznost d

mPas pri 150 °C in strižni hitrosti

106 s-1 (najmanj)

0W 6200 pri -35 -40 3,8 - -

5W 6600 pri -30 -35 3,8 - -

10W 7000 pri -25 -30 4,1 - -

15W 7000 pri -20 -25 5,6 - -

20W 9500 pri -15 -20 5,6 - -

25W 13000 pri -10 -15 9,3 - -

V preglednici 2.2 je prikazana klasifikacija viskoznosti SAE J300 za visoko temperaturne viskoznosti.

Preglednica 2.2: Klasifikacija viskoznosti SAE J300 za visoko temperaturne viskoznosti

Gradacija viskoznosti

SAE

Viskoznost pri nizkih

temperaturah Viskoznost pri visokih temperaturah

Viskoznost a mPas pri °C

Mejna temp.

črpanja b največ 60 Pas pri

°C

Kinematična viskoznost c

mm2/s pri 100 °C (najmanj)

Kinematična viskoznost c

mm2/s pri 100 °C (največ)

HTHS viskoznost d

mPas pri 150 °C in

strižni hitrosti 106 s-

1 (najmanj)

20 - - 6,9 < 9,3 2,6

30 - - 9,3 < 12,5 2,9

Se nadaljuje

(41)

Maziva

13 Nadaljevanje

Gradacija viskoznosti

SAE

Viskoznost pri nizkih

temperaturah Viskoznost pri visokih temperaturah

Viskoznost a mPas pri °C

Mejna temp.

črpanja b največ 60 Pas pri

°C

Kinematična viskoznost c

mm2/s pri 100 °C (najmanj)

Kinematična viskoznost c

mm2/s pri 100 °C (največ)

HTHS viskoznost d

mPas pri 150 °C in

strižni hitrosti 106 s-

1 (najmanj)

40 - - 12,5 < 16,3 3,5 (0W, 5W,

10W)

40 - - 12,5 < 16,3 3,7 (15W,

20W, 25W)

50 - - 16,3 < 21,9 3,7

60 - - 21,9 < 26,1 3,7

a) ASTM D 5293 b) ASTM D 4684 c) ASTM D 445 d) ASTM D 4683

Za predstavitev viskoznosti uporabljamo številčne oznake, na primer SAE 20. Čim višje je število, tem večja je viskoznost (olje je gostejše). Razlikujemo olja za eno temperaturno območje, na primer SAE 10W, SAE 20W/20 (zimska olja), SAE 30, SAE 50 (poletna olja) in celoletna olja, npr. SAE 15W-50 [4]. Na sliki 2.8 je prikazana primerjava delovnih območij nekaterih gradacij olj.

Slika 2.8: Primerjava delovnih območij nekaterih gradacij [2]

(42)

Maziva

14

2.3.1.4 Odvisnost viskoznosti od temperature

Kot je bilo že omenjeno, se viskoznost s temperaturo močno spreminja. Treba je poznati viskoznost pri delovnih temperaturah, saj le-ta določa debelino filma, ki ločuje dve površini.

Viskoznost običajno merimo pri 40 °C in 100 °C, viskoznost pri vmesnih temperaturah pa določimo s pomočjo enačb ali diagramov [1]. Za izračun obstaja več enačb, a najpogosteje se uporablja enačba 2.6, imenovana Voglova enačba.

𝜂 = 𝑎 ∙ 𝑒𝑇−𝑐𝑏 (2.6)

𝜂 … viskoznost olja pri določeni temperaturi [Pas]

𝑇 … temperatura [K]

𝑎, 𝑏, 𝑐 … konstante

2.3.1.5 Odvisnost viskoznosti od tlaka

Za večino maziv je vpliv tlaka večji kot vpliv temperature ali strižnega razmerja. Ta trditev velja le, ko imamo opraviti z visokimi tlaki. Poznavanje vpliva tlaka je pomembno pri močno obremenjenih kontaktih npr. v kotalnih ležajih ali zobnikih. Tlak je v teh kontaktih tako velik, da maziva delujejo kot trdna telesa in ne več kot tekočine [2]. Za zmerne tlake uporabljamo enačbo 2.7, imenovano Barusova enačba.

𝜂𝑝= 𝜂0∙ 𝑒𝛼∙𝑝 (2.7)

𝜂𝑝 … viskoznost pri tlaku p [Pas]

𝜂0 … viskoznost pri atmosferskem tlaku [Pas]

𝛼 … koeficient tlak-viskoznost [m2/N]

𝑝 … dejanski tlak [Pa]

2.3.1.6 Razmerje viskoznost – strižno razmerje (viskoznost HTHS)

To je predpis, ki zagotavlja, da se pri visokih vrtljajih motorja in visoki temperaturi motornega olja na površinah ohranja plast olja – neprekinjen oljni film. Ta predpis so sprejeli različni avtomobilski proizvajalci v navezi z združenjema SAE in ACEA. Predpisujejo najmanjšo viskoznost, ki jo mora imeti motorno olje pri temperaturi 150 °C in strižnem razmerju 106 s-1. Strižno razmerje podaja razmerje med hitrostjo premikajočega se dela in debelino mazalnega filma, ki ga ločuje od mirujočega dela [5]. Pogosto se lahko predpostavi, da so tekočine newtonske, kar pomeni, da je njihova viskoznost konstantna za vsa strižna razmerja. To pa ne velja pri visokih tlakih v aplikacijah kot so zobniki, kotalni ležaji in odmične gredi [2].

(43)

Maziva

15

2.3.1.7 Indeks viskoznosti (IV)

Indeks viskoznosti izraža spreminjanje viskoznosti v odvisnosti od temperature. Čim večji je IV, manj je olje občutljivo na spremembe viskoznosti v odvisnosti od temperature.

Motorna olja imajo med seboj različno odvisnost viskoznosti od temperature, kar lahko vidimo na sliki 2.9. Kvalitetna mineralna olja imajo indeks viskoznosti približno 100, sintetična pa med 120 in 150. Indeks viskoznosti je določen iz naklona premice v diagramu V-T. Čim bolj je premica položna, tem višji je IV [3].

Slika 2.9: Odvisnost viskoznosti od temperature [2]

2.3.2 Točka tečenja

Je najnižja temperatura, pri kateri olje steče. Temperatura 3 °C nad točko, kjer se olje preneha gibati, se označi kot točka tečenja določenega olja. Ko olje preneha teči, pomeni, da je prišlo do povečane kristalizacije voska in da je olje doseglo zelo viskozno stopnjo [2].

2.3.3 Plamenišče

Je temperatura, pri kateri se pare maziva ob prisotnosti plamena vžgejo [2].

(44)

Maziva

16

2.3.4 Točka gorenja

Je temperatura, pri kateri nastane dovolj pare, da se mešanica pare maziva in zraka vžge in trajno gori. Pomembno je predvsem zaradi varnosti. Za običajna olja je plamenišče pri okoli 210 °C, medtem ko je točka gorenja pri okoli 230 °C [2].

2.3.5 Penjenje

Maziva vedno vsebujejo določeno količino zraka. Penjenje je proces, ki nastane zaradi manjših zračnih mehurčkov na površini maziva. Vzrok za penjenje je lahko prekomerno mešanje, neustrezna raven mazalnega olja, uhajanje zraka ali kavitacija. Problematično je predvsem pri aplikacijah, ki delujejo pri visokih hitrostih (hitro tekoči zobniki, črpalke,…).

Pena deluje kot toplotni izolator, kar lahko povzroča težave z uravnavanjem temperature olja. Za preprečevanje penjenja maziva vsebujejo aditive proti penjenju, ki jih bomo opisali v nadaljevanju [6].

2.3.6 Oksidacijska stabilnost

Je odpornost maziva na molekularni razpad ali prerazporeditev pri povišanih temperaturah v normalnem zračnem okolju ob prisotnosti kisika. Maziva lahko oksidirajo, če so izpostavljena zraku pri povišanih temperaturah, kar ima zelo velik vpliv na življenjsko dobo olja. Močno oksidirana olja namreč slabše ščitijo pred korozijo, poviša se jim viskoznost, kar ima za posledico višje temperature. Stopnja oksidacije je odvisna od stopnje rafinacije, temperature, prisotnosti kovinskih katalizatorjev in delovnih pogojev. Oksidacijska stabilnost se lahko izboljša z odstranitvijo aromatov ogljikovodikovega tipa in molekul, ki vsebujejo žveplo [2].

2.3.7 Nevtralizacijsko število

Je količina KOH (kalijev hidroksid) v [mg], ki je potrebna za nevtralizacijo kislin ali alkalnih spojin v 1 g maziva [mgKOH/g]. Rezultat se zapiše kot skupno kislinsko število (TAN) za kisla olja in kot skupno bazno število (TBN) za alkalna olja. Pri TAN se navaja količina KOH potrebna za nevtralizacijo enega grama olja. TAN je merilo vsebnosti kislin v olju.

Nanaša se na večino olj, ki so največkrat rahlo kisla [2].

(45)

Maziva

17

2.3.8 Gostota in specifična teža

Tako kot viskoznost se tudi gostota maziv spreminja s temperaturo, vendar manj kot viskoznost [2]. Odvisnost gostote od temperature je zapisana v enačbi 2.8.

𝜌0= 𝜌𝑟𝑒𝑓− 0,6 ∙ (𝑇0− 𝑇𝑟𝑒𝑓) (2.8)

𝜌0 … delovna gostota [kgm-3] 𝑇0 … delovna temperatura [°C]

𝜌𝑟𝑒𝑓 … referenčna gostota [kgm-3] 𝑇𝑟𝑒𝑓 … referenčna temperatura [°C]

2.3.9 Električne lastnosti 2.3.9.1 Električna prevodnost

Električna prevodnost je merilo elektrostatične napolnjenosti tekočine. Izražena je v [pS/m].

Poleg tega, da je odvisna od vrste tekočine, nanjo vpliva tudi koncentracija nosilcev naboja.

Za primer lahko vzamemo vodo. Destilirana voda ni zelo prevodna, ko pa ji dodamo npr.

sol, kisline in baze, se njena električna prevodnost zelo poveča [7].

2.3.9.2 Dielektričnost

Dielektričnost (oznaka 𝜀) je snovna konstanta, ki opisuje obnašanje dielektrika v električnem polju. Definirana je kot razmerje gostote električnega polja 𝐷 in jakosti električnega polja 𝐸 v snovi, ki izpolnjuje ves prostor, kjer je električno polje [8]. Definirana je v enačbi 2.9.

𝐷 = 𝜀 ∙ 𝐸 (2.9)

𝐷 … gostota električnega polja [Asm-2] 𝜀 … dielektričnost [AsV-1 m-1 ]

𝐸 … jakost električnega polja [Vm-1]

2.4 Aditivi

Bazna olja običajno ne izpolnjujejo številnih zahtev različnih aplikacij, kot so motorji z notranjim zgorevanjem in menjalniki, zato jim je potrebno dodati različne kemične dodatke (aditive). S tem izboljšamo lastnosti olja ali odpravimo njegove neželene lastnosti. Aditivi so topni v olju, njihova količina pa znaša približno od 5 % do 20 % [3].

(46)

Maziva

18

Aditivi se običajno dodajajo v paketih, pri čemer poznamo dva osnovna paketa [1, 9]:

- aditivi za izboljšanje trenja in obrabe:

- modifikatorji trenja (angl. FM – Friction Modifiers), - protiobrabni aditivi (angl. AW – Anti Wear),

- aditivi za visoke tlake (angl. EP – Extreme Pressure);

- aditivi za delovanje / vzdrževanje stanja:

- antioksidanti,

- antikorozijski aditivi,

- aditivi kontrole kontaminacije, - izboljševalci viskoznosti, - inhibitorji pene,

- zniževalci točke tečenja.

2.4.1 Modifikatorji trenja (FM)

Ti aditivi so sestavljeni iz molekul, ki imajo običajno na eni strani polaren del (glavo), s katerim se vežejo (adsorbirajo) na površino [1]. Njihova naloga je zmanjševanje trenja in obrabe, uporabljamo pa jih pri nizkih temperaturah in nizkih tlakih (nekaj 100 MPa). Znani so po tem, da so zelo občutljivi na temperaturo in izgubijo svoje sposobnosti v primeru, da temperatura doseže vrednosti 50–80 °C. Njihovi predstavniki so alkoholi, maščobne kisline ter njihovi amidi in estri [9].

2.4.2 Protiobrabni aditivi (AW)

Ščitijo površine pri višjih temperaturah (120–160 °C) in višjih obremenitvah, kar je seveda medsebojno povezano. Običajno na površini tvorijo mila in amorfne plasti. Osnove za te aditive so cink, fosfor ali žveplo [1].

2.4.3 Aditivi za visoke tlake (EP)

Delujejo pri temperaturah preko 160 °C in visokih tlakih (nekaj GPa). Ti aditivi so kemijske spojine, ki vsebujejo agresivne elemente, kot na primer žveplo. S površino reagirajo v obliki rahle korozije, pri čemer tvorijo novo (žrtveno) nizko strižno plast. Njihova naloga je preprečevanje adhezije in s tem zmanjševanje trenja in obrabe. Lahko preprečujejo oksidacijo [1, 9].

2.4.4 Antioksidanti

Njihova naloga je upočasnjevanje oksidacije, ki prispeva k dvigu viskoznosti in kislosti olja, kar povečuje trenje in obrabo. Uporabljajo se pri višjih temperaturah, kjer so olja bolj dovzetna za oksidacijo. Zanje je značilno, da med delovanjem razpadejo, kar pomeni težko nadzorovanje oksidacije pri visokih temperaturah [9].

(47)

Maziva

19

2.4.5 Antikorozijski aditivi

Ločimo dve skupini [1]:

- Zaviralci korozije: korozija se v splošnem nanaša na vse kovine, tako železne kot neželezne. Iz slednjih so velikokrat narejeni razni ležaji, puše itd. Sicer pa korozijo pospešujejo žveplo, klor in fosfor.

- Zaviralci rje: so namenjeni le železnim kovinam. Inhibitorji rje varujejo jeklo pred korozijo. Na te procese najbolj vplivajo visoke temperature, prisotnost vode… Ti inhibitorji običajno sami »napadejo« železo in s tem preprečijo nastanek rje.

2.4.6 Aditivi za kontrolo kontaminacije

Razvili so se kot potreba pri motornih oljih. Ta olja vsebujejo veliko produktov zgorevanja (saje, voda), temperature in kislost so visoke, zato so bili razviti aditivi, ki nadzorujejo kislost in aglomeracijo. Aglomeracija je proces, ko se večji delci v oljih (saje) vežejo med seboj.

Ločimo detergente in disperzante. Disperzanti obdajo trdne delce v olju in s tem preprečijo lepljenje delcev med seboj [1].

2.4.7 Izboljševalci viskoznosti

Naloga teh aditivov je, da zmanjšujejo odvisnost viskoznosti od temperature. To so v osnovi polimeri z veliko molekulsko maso, katerih funkcija je, da pri višjih temperaturah spreminjajo obliko in s tem fizično zadržujejo viskoznost na določeni ravni [9].

2.4.8 Inhibitorji pene

Dodajajo se v koncentracijah od 0,05 – 0,5 %, po načelu več aditiva, večja učinkovitost.

Njihova naloga je, da med obratovanjem destabilizirajo peno in znižujejo površinsko napetost olj [9].

2.4.9 Zniževalci točke tečenja

Preprečujejo nastanek voskastih kristalov pri nizkih temperaturah z dislokacijo voskaste strukture. Uporabljamo jih pri nizkih temperaturah, kjer je osnovna baza parafinsko olje. Če temperatura ne pade pod 0 °C, jih ni potrebno dodajati. Delujejo na podoben način kot izboljševalci viskoznosti [1, 9].

(48)

Maziva

20

(49)

21

3 Primerjava mazanih sklopov in maziv med pogonom z motorjem z notranjim zgorevanjem in električnim pogonom

3.1 Uvod v električna vozila

Glede na vrsto napajanja ločimo več vrst električnih vozil [10]:

- baterijski tip vozila (BEV), na sliki 3.1 označen kot EV, - hibridni tip vozila (HEV),

- priključni hibridni tip vozila (PHEV), - baterijski tip z gorivnimi celicami (FCEV).

Na sliki 3.1 so shematsko prikazani različni tipi pogonskih sklopov in sicer z motorjem z notranjim zgorevanjem (ICEV), hibridni (HEV in PHEV) in električni (EV).

Slika 3.1: Prikaz različnih vrst pogonov [10]

V tem trenutku je težko primerjati električna vozila s trenutno še vedno popularnimi vozili z motorji z notranjim zgorevanjem (v nadaljevanju ICEV), saj so slednji še vedno cenejši in zanesljivejši. V preglednici 3.1 lahko vidimo primerjavo med ICEV in EV v nekaterih glavnih lastnostih.

(50)

Primerjava mazanih sklopov in maziv med pogonom z motorjem z notranjim zgorevanjem in električnim pogonom

22

Preglednica 3.1: Primerjava med ICEV in EV [10]

Parameter ICEV EV

Cena Cenejši Trenutno draga

Učinkovitost ICE motorji imajo trenutno 20-40 % izkoristek motorja

Do 90 % učinkovitosti motorja zaradi manjših izgub

Emisije Toplogredne in strupene emisije

Brez emisij

Vzdrževanje Veliko vzdrževanja Malo vzdrževanja

Zanesljivost Visoka zanesljivost, večji doseg

Slabša zanesljivost zaradi dolgega časa polnjenja, manjši doseg Teža Največkrat težji Obstajajo lažje zasnove, baterije

lahko prispevajo zelo velik del k teži vozila

3.1.1 Zahteve in izzivi pri EV in HEV

V zadnjem obdobju je bilo objavljenih veliko število člankov na temo EV in HEV [11], prav tako pa tudi na temo maziv za to vrsto vozil. Izzivov pri izdelavi EV je veliko, najbolj pomembna vprašanja pa se pojavljajo pri dosegu vozila z enim polnjenjem, času polnjenja in dostopnosti polnilnic ter seveda ceni. Trenutno cena baterije za EV znaša približno 45,3 % celotne cene avtomobila, kupce pa seveda skrbi tudi učinkovitost in vzdrževanje vozila.

Z vidika mehanskih lastnosti tehnologija EV/HEV predstavlja kar nekaj izzivov na področju tribologije. Velika težava so odpovedi ležajev, ki predstavljajo kar 40 % vseh okvar v motorjih električnih vozil [12]. Poleg tega se težave pojavljajo pri odpravi neželenega hrupa in vibracij, seveda pa je potrebno izpostaviti tudi težavo z mazivi, ker ni mogoče predpostaviti, da bo ena vrsta maziva dovolj dobra za vsa električna vozila (EV, HEV). Prav tako je treba preučiti uporabo določenih modifikatorjev trenja in ostalih aditivov, saj se pri EV srečujemo z drugačnimi težavami pri trenju in obrabi (primer tega je modifikator trenja MoDTC, ki bi v primeru uporabe v električnem vozilu zmanjšal učinkovitost s povečanjem prevoženih kilometrov). Primer prilagoditve je mazivo pri menjalniku HEV vozila, kjer se je z dodajanjem optimalne količine disperzanta v mineralno olje doseglo dobro zaviranje rje in nizko električno prevodnost [13].

3.1.2 Glavni povodi za izdelavo EV 3.1.2.1 Energijska učinkovitost

Proizvajalci originalne opreme (angl. OEM – Original Equipment Manufacturer), ki izdelujejo in prodajajo avtomobile, so dolžni podati informacijo o tem, koliko energije potrebuje vozilo, da prevozi 100 km. Proizvajalci električnih vozil trdijo, da je ta vrednost od 15 do 25 kWh energije na 100 km. Če to vrednost primerjamo z ICEV na bencinski pogon s porabo 6 l/100 km, dobimo vrednost 57 kWh na 100 km [13].

(51)

Primerjava mazanih sklopov in maziv med pogonom z motorjem z notranjim zgorevanjem in električnim pogonom

23

3.1.2.2 Potencial za nižje CO

2

emisije

EV ne proizvajajo lastnih CO2 emisij, le-te nastanejo v elektrarni, ki proizvaja elektriko.

Upoštevati pa je potrebno tudi emisije CO2, ki nastanejo med proizvodnjo avtomobila. Če je elektrika proizvedena s premogom, so emisije CO2 primerljive s tistimi, ki jih proizvede avtomobil z motorjem z notranjim zgorevanjem na bencinski pogon in porabo 6 l/100 km (približno 17 kg emisij CO2 na 100 km). Daleč najmanj emisij dobimo, če elektriko pridelujemo z vetrno ali jedrsko energijo (med 0,5 in 1 kg na 100 km) [13].

3.1.2.3 Zmanjšanje emisij trdnih delcev in NO

X

Medtem ko emisije CO2 predstavljajo globalno težavo, na lokalni ravni problem predstavlja onesnaževanje zraka. Konvencionalna vozila, predvsem tista z dizelskimi motorji, oddajajo visok delež trdnih delcev (angl. PM – Particulate Matter) in razne vrste dušikovih oksidov (splošno imenovani NOX). Številni deli sveta imajo omejitve tovrstnih emisij, v nekaterih mestih pa je bilo mogoče opaziti trend prepovedi uporabe starejših vozil. Z uporabo BEV bi bistveno izboljšali kakovost zraka, z uporabo PHEV pa bi zmanjšali tovrstne emisije, saj jih vozilo med električnim načinom vožnje ne bi oddajalo [13].

3.1.2.4 Potencial za nižje cene lastništva

V osnovi imajo BEV manj sestavnih delov kot ICEV, kar pomeni, da potrebujejo manj servisiranja. Dodatek k temu je tudi podatek o ceni elektrike, oziroma cena na 100 km.

Primerjava je narejena na podlagi podatkov za Združeno kraljestvo, kar pomeni, da se cene nekoliko razlikujejo od cen v Evropi. Za 100-km vožnjo s konvencionalnim avtomobilom na dizelski pogon bi odšteli 7,20 GBP. Za polnjenje avtomobila in 100-km vožnjo bi z električnim avtomobilom odšteli 3,60 GBP. Če bi upoštevali, da je avtomobil lahko napolnjen z uporabo sončnih celic, pa bi ta razlika postala še večja. Res je, da so EV trenutno dražja od ICEV, toda z upoštevanjem vseh zgoraj naštetih razlogov bi se nam nakup EV na dolgi rok obrestoval. Pričakovano je, da bodo električna vozila postala cenejša med letoma 2025 in 2030 [13].

3.2 Maziva v EV

Maziva v vozilih nasploh igrajo zelo pomembno vlogo. V zadnjih letih je bilo mnogo raziskav na to tematiko, napredek pa so opazili pri bioloških in mineralnih oljih. Glavna področja raziskovanja maziv za EV so [10]:

 višji odpor proti koroziji bakra,

 kompatibilnost s polimeri v komponentah EV/HEV,

 nižja viskoznost,

 izboljšava toplotnih in električnih lastnosti.

(52)

Primerjava mazanih sklopov in maziv med pogonom z motorjem z notranjim zgorevanjem in električnim pogonom

24

3.2.1 Karakteristike maziv za EV

V prejšnjem poglavju so bila maziva predstavljena ter opisana njihova sestava in delovanje.

Maziva v EV morajo imeti višjo električno izolacijo, da lahko preprečijo iskrenje, saj so v neposrednem kontaktu z električnim motorjem in ostalimi električnimi deli v vozilu. Prav tako je mazivo v EV v stiku z različnimi materiali, kar lahko privede do lomov in razpok delov vozila. Veliko sestavnih delov je narejenih iz bakra, saj je le-ta dober električni prevodnik, zato je zaželeno, da je mazivo dobro kompatibilno z bakrom.

Delovni pogoji v EV in v ICEV se razlikujejo. V električnih vozilih se srečujemo z višjimi delovnimi obrati kot pri ICEV. Višji obrati pomenijo tudi višjo delovno temperaturo, kar pa posledično pomeni tudi višjo stopnjo oksidacije. Dodatna težava pri EV pa je tudi abrazija delcev v olju. Da lahko električno vozilo deluje pri takšnih pogojih, mora mazivo skozi celotno dobo delovanja vzdrževati svoje dielektrične lastnosti. Naloga maziv v EV je, da poskrbijo za glavni odvod toplote, saj lahko temperature dosežejo vrednost 180 °C [10]. Za lažji pregled je primerjava lastnosti med EV/HEV in ICEV prikazana v preglednici 3.2.

Nadaljnji kontakt olja z bakrom poleg visokih temperatur še dodatno pospešuje oksidacijo [14, 15]. Baker je namreč znan kot katalizator, ki pospešuje oksidacijo olja. Uporablja se na primer kot katalizator pri testu RBOT (angl. Rotating Bomb Oxidation Test), da se pospeši oksidacijo olja [16].

Preglednica 3.2: Primerjava lastnosti med EV/HEV in ICEV [10, 17]

EV/HEV vs. ICEV Lastnost

Več električnih kontaktov Potrebna višja električna izolacija Več kontaktov z bakrom Mazivo mora biti kompatibilno z bakrom Delovanje pri višjih obratih Mazivo mora boljše odvajati toploto Obratovanje pri visokih temperaturah Mazivo mora boljše varovati pred

oksidacijo

3.2.2 Uporaba maziv v vozilih

Če hočemo doseči kar se da učinkovito delovanje vozila, je potrebno optimizirati vse sestavne dele pogonskega sklopa. Prav zato so raziskave opravljene na področju maziv zelo pomembne. V konvencionalnem avtomobilu z motorjem na notranje zgorevanje za mazanje uporabljamo motorna olja, maziva za menjalnike in mast. Motorno olje zagotovi hidrodinamično mazanje motorja, ščiti kontaktne površine pred obrabo in nudi hlajenje notranjih delov. Pri mazanju menjalnikov ima pomembno vlogo tip menjalnika (ročni, avtomatski, DCT, CVT), pri čemer je naloga maziv povsod ustvarjanje dovolj debelega mazalnega filma, ki preprečuje direktne kontakte med površinami, ter tako ščiti pred obrabo in pomaga pri odvajanju toplote iz kontakta.

(53)

Primerjava mazanih sklopov in maziv med pogonom z motorjem z notranjim zgorevanjem in električnim pogonom

25 Glavna naloga masti pa je, da zmanjšujejo izgube, ki nastanejo zaradi trenja (npr. pri ležajih) [10]. V preglednici 3.3 je prikazan povzetek maziv, ki so potrebna pri ICEV, HEV in EV.

Preglednica 3.3: Uporaba maziv v ICEV, HEV in EV [10]

Maziva ICEV HEV EV

Motorno olje DA DA (višje tehnične

zahteve) NE

Mast za ležaje

in podvozje DA DA DA

Menjalniško

olje DA DA DA

Olje za

zobnike DA DA DA

Na sliki 3.2 je prikazan splošen pogled in primerjava med EV, HEV in ICEV z vidika sestavnih delov, ki so mazani, ter razporeditve le-teh. HEV ima poleg motorja z notranjim zgorevanjem tudi električen motor. V primerjavi z ICEV je motor z notranjim zgorevanjem manjši, medtem ko se velikost baterije povečuje. Pri EV imamo v celoti samo električen motor. Najbolj učinkovit menjalnik je menjalnik z dvojno sklopko (angl. DCT – Dual Clutch Transmission), zato ima večina HEV tak menjalnik. Pri teh vozilih je električen motor direktno povezan z menjalnikom in je hlajen z mazivom za menjalnike. Ker je mazivo v kontaktu z električnimi deli, je priporočljivo, da ima mazivo boljše električne lastnosti, kot so na primer: električna prevodnost, dielektrična konstanta in dielektrična moč [10].

Kot smo že povedali, EV nima motorja z notranjim zgorevanjem, toda naloge maziva ostajajo enake. V prihodnosti lahko pričakujemo vgraditev električnega motorja v ohišje skupaj z menjalnikom in osema. V tem primeru gre pričakovati težave s korozijo bakra, saj bi prihajalo do kontaktov z bakrenim navitjem električnega motorja znotraj ohišja. Pri navitju bi prišlo do visokih temperatur, kar predstavlja dodaten izziv za sposobnost odvoda toplote in toplotno stabilnost maziva [10].

(54)

Primerjava mazanih sklopov in maziv med pogonom z motorjem z notranjim zgorevanjem in električnim pogonom

26

Slika 3.2: Prikaz glavnih sestavnih delov v EV, HEV in ICEV, kjer je potrebno mazanje (zgoraj – Tesla EV, sredina – Volkswagen HEV, spodaj – Subaru Forester ICEV) [10]

3.2.3 Zahteve za EV maziva

V zgornjem poglavju smo našteli nekaj karakteristik, ki jih mora imeti mazivo v vozilu z električnim pogonom. Pravilno mazanje pri hitrostih nad 25.000 vrt/min je pomembno za doseganje nizkega trenja in zaščito pred obrabo tesnil, ležajev in zobnikov. Za izdelavo novih maziv se bo zahtevalo, da so kompatibilna z baterijami in novimi naprednimi materiali, ki so uporabljeni v električnih avtomobilih. Treba je izpostaviti potrebo po mazivih z nižjo viskoznostjo, saj je le tako mogoče doseči boljši odvod toplote. Maziva imajo namreč nizko toplotno prevodnost in bolj viskozna maziva tvorijo debelejši mazalni film, ki lahko deluje kot izolator. V primeru, da nova maziva ne bi bila kompatibilna z reaktivnimi elektroliti v baterijah in motornih delih, bi lahko v vozilu prišlo do okvar in eksplozij. V preglednici 3.4 so prikazane glavne lastnosti maziva in primerjava njihovih zahtev v ICEV in EV. Vse lastnosti, naštete v drugem stolpcu, so pomembne za posamezne vrste vozila. V zadnjem stolpcu je prikazana lokacija vozila, kjer je ta lastnost pomembna [10]. To lahko vidimo na sliki 3.2, kjer so prikazani glavni sestavni deli v EV, HEV in ICEV, kjer je potrebno mazanje.

(55)

Primerjava mazanih sklopov in maziv med pogonom z motorjem z notranjim zgorevanjem in električnim pogonom

27 Preglednica 3.4: Primerjava glavnih lastnosti maziv in njihovih zahtev v ICEV in EV [10]

Zaporedna številka

Lastnosti maziva Zahteve za ICEV Zahteve za EV Lokacija 1 Kislinsko število V določenih mejah, da

se izognemo koroziji

Mora biti zelo nizko v

primerjavi z ICEV Vse

2 Penjenje Zaželena odpornost

proti penjenju

Odpornost proti penjenju je zelo zaželena pri visokih

hitrostih

2-5

3 Korozijska

odpornost

Ne sme razjedati kovinskih delov

Mora biti kompatibilno z polimeri in kovinskimi deli

Vse

4 Gostota Zaželena so zmerna in

gostejša olja Zaželena redkejša olja 3-5 5 Dielektrična moč Sprejemljiva je zmerna

in nizka moč

Ne sme priti do

dielektričnega zloma 2

6 Električna

prevodnost

Imeti mora dobre izolacijske lastnosti

Mora biti nizko prevodno da odstrani

statični naboj

2

7 Vnetljivost Ne sme biti vnetljivo pri visoki toploti

Ne sme biti vnetljivo

pri visoki toploti Vse

8 Plamenišče Zaželene so visoke

točke plamenišča

Točka plamenišča mora biti precej višja od

ICEV

Vse

9 Prenos toplote

Mora imeti visok koeficient prenosa

toplote

Mora imeti visok koeficient prenosa toplote in hlajenja

1, 6

10 Življenjska doba

Zdržati mora sprejemljivo dolgo,

potrebna menjava

Zaželeno enkratno

polnjenje Vse

11 Točka tečenja

Zaželena nizka in srednje visoka točka

tečenja

Zaželena je nizka točka

tečenja Vse

12 Temperaturna

stabilnost

Mora biti stabilno pri delovni temperaturi

Mora biti stabilno pri širšem območju temperatur, vzdržati

mora toplotne šoke

2-5

13 Viskoznost Zaželena visoka

viskoznost

Zaželena nizka viskoznost za boljšo

sposobnost hlajenja

1-6

14 Hlapljivost

Ne sme biti hlapljivo pod vplivom temperaturnih in tlačnih nihanj motorja

Imeti mora boljšo odpornost proti

hlapenju od ICEV Vse

15 Vodoodpornost Mora biti

vodoodporno

Biti mora zelo vodoodporno in

hidrofobno

Vse

16 Odpornost proti obrabi

Imeti mora lastnosti proti obrabi

Zavirati mora obrabo delov pri visokih obratovalnih hitrostih

2-5

Reference

POVEZANI DOKUMENTI

RAVEN IZVAJANJA Mednarodna, nacionalna PRISTOP Izvajanje zakonodaje in nadzor KRAJ IZVAJANJA Ministrstva, inštitucije CILJNA POPULACIJA Otroci, mladostniki, odrasli

Zaključki dosedanje analize preventivnega zdravstvenega varstva otrok in mladostnikov usmerjajo v delovanje za vzpostavitev pogojev, ki bodo omogočali večjo dostopnost

Glede na delovni staž so udeleženci izobraževanj pri večini vsebin izrazili, da so več novih stvari slišali tisti s krajšim delovnim stažem, razen pri izobraževanju o

Vse pomembne informacije v zvezi z nadaljnjimi aktivnostmi Delovne skupine za mi- grantom prijazno in kulturno kompetentno zdravstveno oskrbo na področju zagotavlja- nja enakosti

V zdravstveni regiji Koper so bile hospitalizacije zaradi kemičnih opeklin, katerih vzrok so bili ostali zunanji vzroki, prisotne v posameznih starostnih skupinah, in sicer so

Cilj igre: vaditi osnovne elemente nogometa, razvijati koordinacijo oči in nog, ravnotežje, gibljivost, spretnosti z žogo, motorične sposobnosti, spodbujati sodelovanje

V zadnjem desetletju beležimo porast nezadovoljstva s šolo, manj ugodno je tudi, da so mladostniki iz starostnih skupin 11 in 13 let veliko manj zadovoljni s

Na trgu je veliko konkurence, tako da morajo biti podjetja v koraku s časom, kar pomeni, da morajo redno obnavljati in nadgrajevati svojo strategijo marketinškega komuniciranja