Sviluppo di una Nuova Tecnologia di Oli per Motori Marini Certificati FC-W e FC-W Catalyst Compatible Benefici per l Utilizzatore e per l Ambiente

Transcript

1 Sviluppo di una Nuova Tecnologia di Oli per Motori Marini Certificati FC-W e FC-W Catalyst Compatible Benefici per l Utilizzatore e per l Ambiente Autore: Dr. Brent Dohner, The Lubrizol Corporation Wickliffe Ohio USA Relatore: Ing. Gianfranco Locandro, Lubrizol Italiana S.p.A. AMME - 11 Convegno Tribologia Napoli 13 maggio 2010

2 Argomenti della presentazione 1998 Legislazione sulle emissioni e impatto sui motori marini e i lubrificanti 2004 Specifica FC-W e sviluppo dei relativi lubrificanti 2009 Specifica FC-W Catalyst Compatible e sviluppo dei relativi lubrificanti 2

3 Premessa Le preoccupazioni ambientali hanno indotto l Agenzia per la protezione dell'ambiente degli Stati Uniti ad emanare nel 1998 un regolamento che richiedeva un 75% di diminuzione degli idrocarburi prodotti dai motori marini entro il Molti costruttori stanno quindi producendo motori marini 4T che incontrano questa regolamentazione sulle emissioni. 3

4 Premessa I motori 4T marina sono stati tipicamente lubrificati da oli motori per autotrazione leggera (PC); tuttavia, l ambiente in cui questi motori lavorano è abbastanza diverso da quello dei motori per auto: - i motori spesso operano in un ambiente corrosivo di acqua salina Problema: Corrosione - i motori spesso rimangono fermi per lunghi periodi prima di riprendere a funzionare a pieno; ciò provoca un accumulo di carburante e acqua nell olio - comunemente si passa spesso dal funzionamento a bassa velocità a quello a pieni giri molto rapidamente Problema: Usura 4

5 Premessa In relazione alle differenti condizioni operative, l olio usato per le applicazioni marine dovrebbe avere delle proprietà anticorrosione e anti-usura superiori a quelle che oggi sono richieste nei moderni motori per autovetture Questi problemi hanno indotto la National Marine Manufacturers Association (NMMA) a sviluppare la specifica FC-W (Four-Cycle Water Cooled) ed un dedicato sistema di approvazione di prodotto. 5

6 Specifica FC-W : Protezione addizionale rispetto un olio motore Un pacchetto di additivi usato per formulare un olio FC-W deve essere almeno a livello API SG (minimo). Protezione addizionale per la corrosione l olio deve proteggere delle strisce di metallo prese dalla camicia di un cilindro Mercury Marine in un test di corrosione in acqua salina. Protezione addizionale per l usura l olio deve essere formulato con una viscosità HTHS 3.3 cps, dopo taglio secondo il test ASTM D L olio deve superare un General Purpose Engine Test in un motore Yamaha 115HP. 6

7 Sviluppo di un olio FC-W : Scelta del pacchetto di additivazione Qual è la più importante qualità di un olio per imbarcazioni? ZINC DITHIOPHOSPHATE TYPES Performance Aryl Primary Alkyl Secondary Alkyl Thermal Stability Best Medium Worst Anti-Wear Protection Worst Medium Best Hydrolytic Stability Worst Medium Best Relative Cost High Low Low Source: W. Gergel, Lubricant Additive Chemistry," The International Symposium Technical Organic Additives and Environment (1984) 7 É molto importante, quindi, scegliere un pacchetto di additivi che contiene prevalentemente uno ZDP secondario!

8 Sviluppo di un olio FC-W : Scelta del Viscosity Modifier Qual è la scelta migliore? Olefin Copolymer Viscosity Modifiers Molecular Weight 130, , ,000 Shear Stability Index Formulated into SAE 10W-40 oil Viscosity (cst100) Viscosity after shear % Viscosity loss 13% 21% 28% Inoltre, per l uso ad un basso numero di giri ed in presenza di basse temperature, il carburante trafila nell olio. Tipicamente il livello di diluzione del carburante nell olio è pari a 6-8%. Questo livello riduce la viscosità dell olio di circa il 20%. É importante scegliere un VM resistente al taglio 8

9 100 Aggiunta di un inibitore di corrosione Reference Oil Avg = 37 Candidate Oil Avg = % Rust Reference oil test 1 Reference oil test 2 Reference oil test 3 Reference oil test 4 Candidate oil test 1 Candidate oil test 2 Candidate oil test 3 Candidate oil test 4 9

10 Confronto con un olio per PC Camicia del cilindro in presenza di un olio FC-W 12% ruggine Camicia del cilindro in presenza di un olio per PC 96% ruggine 10

11 Valutazione del test sul motore Yamaha 115HP Il test viene condotto in un grande serbatoio a circolazione d acqua per fuoribordo con un motore standard Yamaha 115HP 4T. L usura critica dei componenti non deve mostrare scuffing, spalling, scoring, o ring wiping. Inoltre, le dimensioni dell usura critica non deve essere al di fuori dei limiti riportati dal manuale di servizio Yamaha. Infine, viene valutata la pulizia del motore e questa deve essere comparabile o migliore dei risultati ottenuti utilizzando i più recenti oli di riferimento. 11

12 Valutazione del test sul motore Yamaha 115HP La protezione dall usura è stata eccellente, come si vede dalle foto dell albero a camme e dei cuscinetti. Inoltre, l analisi dell olio usato ha indicato solo 25 ppm di ferro dopo 100 ore di test. 12

13 Valutazione del Field Test di un olio candidato L olio candidato è stato testato sul campo in un motore Yamaha da 115HP montato su una barca da pesca in affitto a Key Largo, Florida. 13

14 Valutazione del Field Test Sommario Il motore è stato in funzione per più di 500 ore. L olio è stato cambiato ogni 100 ore. Tutte le parti sono state ispezionate e non è stato osservato nessun problema. L analisi dell olio usato ha mostrato che la diluzione del carburante era nel range del 5-10%, simile al range richiesto da Yamaha nel General Purpose Engine Test. Il contenuto di ferro nell olio era molto basso (30 ppm), ciò indica che l olio candidato fornisce una eccellente protezione alla corrosione e all usura. 14

15 Proprietà aggiuntiva di un olio FC-W Visto che questa era la prima valutazione dell olio candidato in ambiente di acqua salina, è stata valutata anche un altra proprietà. Molti utilizzatori mettono la loro barca in una rimessa durante l inverno. Se la barca viene fermata senza cambiare olio, si crea l ambiente giusto per la corrosione del motore. Per verificare se l olio mantiene la sua caratteristica anti-ruggine, è stato valutato un campione di olio derivante dal field test in una prova di corrosione FC-W. 15

16 Caratteristica anti-corrosione dell olio candidato Dopo 100 ore di marcia in acqua salina, l olio ha mantenuto la sua caratteristica anticorrosione. L olio usato ha superato il test di corrosione FC-W richiesto per qualificare un nuovo olio. 100 Reference Oil Avg = 37 Candidate Oil Avg = % Rust Reference oil test 1 Reference oil test 2 Reference oil test 3 Reference oil test 4 Candidate oil test 1 Candidate oil test 2 Candidate oil test 3 Candidate oil test 4 16

17 Sommario delle caratteristiche di un olio di qualità FC-W Nello sviluppo di un olio di qualità superiore che incontra la specifica FC-W, bisogna apportare diversi cambiamenti formulativi rispetto ad un olio per autotrazione: 1. Il pacchetto di additivazione dovrebbe contenere principalmente ZDP secondario come agente anti usura, ciò perché questo fornisce una maggiore protezione all usure e maggiore stabilità idrolitica rispetto a quello primario. 2. Si dovrebbe utilizzare un VI stabile al taglio per mantenere lo spessore del film quando l olio è in uso ed incrementare, inoltre, la protezione all usura. 3. Bisogna aggiungere un inibitore di corrosione alla formulazione per prevenire l ossidazione quando si opera in ambiente di acqua salina. L inibitore deve essere robusto abbastanza da garantire la protezione ed assicurare la vita dell olio. Aggiungere questi elementi quando si formula un olio FC-W darà molti più vantaggi all utilizzatore rispetto ad un olio per autovetture. 17

18 Nuovo sviluppo oli Catalyst Compatible Le nuove leggi sulle emissioni, in fase di definizione, hanno portato i costruttori a inserire dei catalizzatori sui motori La necessita di sviluppare oli compatibili con i catalizzatori è stata sollevata durante l incontro NMMA del Febbraio 2008 I costruttori di motori volevano che un olio compatibile con i catalizzatori venisse immesso sul mercato entro il

19 Un approccio agli oli FC-W Catalyst Compatible Specifica API/ILSAC Specifica FC-W SG SL SM 0.12%P max 0.10%P max %P livello API SG min L abilità sta nel creare oli compatibili con i catalizzatori partendo dai più recenti prodotti con specifica API. (Abbassando %P quel tanto da garantire la protezione antiusura) Inoltre, si possono usare ZDP e oli base a bassa volatilità per incrementare la protezione del catalizzatore. 19

20 Sviluppo di un olio Catalyst Compatible Esperimento studiato per valutare: Livello %P, tipo di P, tipo di oli base Tutti gli oli sono 10W-40 e certificati FC-W Oil API %P P Type Base Oil Volatility* A SG 0.12% conventional mineral 16 B SG 0.12% low volatility mineral 17 C SL 0.10% low volatility mineral 17 D SL 0.10% low volatility synthetic 8 E SM 0.08% low volatility synthetic 8 *ASTM D

21 Valutazione del Field Test degli oli candidati Gli oli candidati sono stati testati ancora su un motore Yamaha da 115HP montato su una barca da pesca in affitto a Key Largo, Florida. 21

22 Average Piston Varnish Pulizia del Pistone Pistone da un olio API SM ZDP a bassa volatilità Base sintetica API SG / Conventional ZDP / Mineral API SG / Low / Mineral API SL / Low / Mineral API SL / Low / Synthetic API SM / Low / Synthetic 10 = Clean

23 23 Pulizia del treno valvole Valve Deck Sludge Treno valvole da un olio API SM ZDP bassa volatilità Base sintetica API SG / Conventional ZDP / Mineral API SG / Low / Mineral API SL / Low / Mineral API SL / Low / Synthetic API SM / Low / Synthetic = Clean

24 Protezione anti usura Alesaggio e albero a camme Used Oil Fe Analyses (ppm) da un olio API SM ZDP bassa volatilità Base sintetica API SG / Conventional ZDP / Mineral API SG / Low / Mineral API SL / Low / Mineral API SL / Low / Synthetic API SM / Low / Synthetic

25 25 %P Retention in Used Oils API SG / Conventional ZDP / Mineral API SG / Low / Mineral API SL / Low / Mineral API SL / Low / Synthetic API SM / Low / Synthetic ZDP bassa volatilità Olio bassa volatilità Massimo Riduzione livello ZDP Beneficio

26 Sommario di un olio di qualità FC-W Catalyst Compatible Principali domande e risposte di questo studio - Sono tutti questi oli capaci di assicurare un livello globale di performance in termini di pulizia del motore? SI - Visto che il livello %P è stato ridotto, la protezione dall usura viene garantita? SI - Il mantenimento della %P dipende dal tipo di ZDP utilizzato? SI - Il mantenimento della %P viene influenzato dalla volatilità dell olio base? SI 26

27 Sommario di un olio di qualità FC-W Catalyst Compatible In aggiunta, quindi, alle caratteristiche che deve avere un olio FC-W, quello compatibile con i catalizzatori dovrebbe anche avere: 1. Ridotto livello %P come definito da un olio di livello API SM. 2. Uno ZDP a bassa volatilità. 3. Un olio base a bassa volatilità. Unendo tutte queste caratteristiche ad un prodotto FC-W si otterranno notevoli vantaggi per l ambiente. 27

28 Una nuova specifica è stata sviluppata per gli oli Catalyst Compatible FC-W Specifica API/ILSAC SG SL SM 0.12%P max 0.10%P max %P Specifica FC-W API SG (min) Spec FC-W Catalyst Compatible API SM min (disponibile per la licenza da Sett 09) L olio API SM oggetto di questo studio è stato certificato Come FC-W Catalyst Compatible da NMMA 28

29 Conclusioni In seguito ai cambiamenti della legislazione ambientale, molti costruttori di motori stanno costruendo motori marini 4T e considerando la possibilità di inserire il catalizzatore per avere dei benefici per l ambiente La NMMA ha definito una nuova qualità di oli motore per incontrare le necessità di questi motori marini 4T Questi oli sviluppati per le specifiche NMMA sono stati sviluppati, testati sul campo e resi disponibili per il mercato Questi oli sono in grado di produrre benefici per l utilizzatore e per l ambiente 29

30 Thank you for your attention! 30