De conventionele wijsheid stelt dat motoroliën die het brandstofverbruik verhogen minder wrijving toelaten en de levensduur van de motor verlengen. Het doel van dit artikel is de conventionele wijsheid in twijfel te trekken, met name wat betreft moderne (GF-3 ILSAC/API Starburst) motoroliën.
Brandstofbesparing: Does Anyone Really Care?
Op de eerste plaats moeten we onder ogen zien dat de Amerikaanse consument niet echt geeft om brandstofbesparing, behalve in moeilijke economische tijden. Het best verkochte personenvoertuig is de Ford F-Serie Pickup. Vijf van de top 10 best verkochte voertuigen zijn vrachtwagens, en vrachtwagens verkopen meer dan auto’s.
Sommige van de vrachtwagens worden sport-utility voertuigen genoemd, ook bekend als SUV’s, omdat hun eigenaars niet willen toegeven dat het vrachtwagens zijn. De massa (grootte, gewicht) van deze voertuigen is niet bevorderlijk voor een groot brandstofverbruik.
Figuur 1. Lagerslijtage
Bedenk bovendien hoe de meeste voertuigen worden bestuurd. Wie langzaam optrekt of tegen de maximumsnelheid rijdt om energie te besparen, is een gevaar voor zichzelf en voor andere bestuurders die veel meer haast hebben.
Autofabrikanten daarentegen zijn bezorgd over het brandstofverbruik. De fabrikant staat voor grote boetes als het wagenpark dat hij produceert niet voldoet aan de Corporate Average Fuel Economy (CAFE)-eisen die de federale overheid hem oplegt.
De mars naar dunnere oliën
Dunnere oliën worden tegenwoordig om drie redenen gebruikt: Ze besparen brandstof in testmotoren, de viscositeitsregels zijn veranderd, en fabrikanten bevelen dunnere kwaliteiten aan.
De Sequence VI-B is de test die wordt gebruikt om het brandstofverbruik voor de GF-3 specificatie te evalueren. De VI-B-testmotor is uitgerust met een rolnok, terwijl bij de oude Sequence VI-test een schuifnok werd gebruikt. De oude Sequence VI-test reageerde goed op wrijvingsmodificatoren, maar de Sequence VI-B reageert op dunnere oliën.
De brandstofefficiëntie van de testolie wordt vergeleken met de brandstofefficiëntie van een referentieolie in de Sequence VI-B-test. Om te slagen moet de testolie het brandstofverbruik met één tot twee procent verbeteren, afhankelijk van de viscositeitsgraad. SAE 5W-20 moet een hogere relatieve brandstofefficiëntie opleveren dan SAE 5W-30.
Het is interessant op te merken dat de referentieolie volledig PAO synthetisch SAE 5W-30 is. Om in aanmerking te komen voor de GF-3 Starburst moesten de gewone minerale oliën het brandstofrendement van de volledig synthetische referentieolie overtreffen. (Het lijkt erop dat er meer bij brandstofbesparing komt kijken dan een magische basisolie.)
Een andere factor bij brandstofbesparing is tijdelijke polymeer afschuiving. Deze polymeren zijn additieven die bekend staan als viscositeitsindexverbeteraars (of modifiers). Polymeren zijn kunststoffen die in olie zijn opgelost om multiviscositeitseigenschappen te verkrijgen. Net zoals sommige kunststoffen taaier, brozer of hittebestendiger zijn dan andere, hebben verschillende polymeren verschillende eigenschappen.
Polymeren zijn enorme moleculen met vele vertakkingen. Als ze worden verhit, ontrollen ze zich en spreiden ze zich uit. De takken verstrikken zich met die van andere polymeermoleculen en vangen en beheersen vele minuscule oliemoleculen. Daarom kan een relatief kleine hoeveelheid polymeer een enorm effect hebben op de olieviscositeit.
Als olie tussen een lager en een astap wordt geperst, hebben veel polymeren de neiging om zich aan elkaar te hechten, een beetje zoals nestelende lepels. Wanneer dit gebeurt, daalt de viscositeit. Wanneer de olie vervolgens door het lager gaat, raken de polymeermoleculen weer verstrengeld en wordt de viscositeit weer normaal. Dit fenomeen wordt tijdelijke afschuiving genoemd.
Omdat de Sequence VI-B test reageert op afname van de viscositeit, vertrouwen olieformulators op polymeerafschuiving om de test te doorstaan. Een polymeer met een stabiele afschuiving maakt het veel moeilijker om de GF-3-brandstofbesparingstest te doorstaan.
In juni 2001 zijn nieuwe regels van kracht geworden voor de cold flow-vereisten van SAE-viscositeitsgraden (SAE J300). De autofabrikanten waren bang dat moderne injectiesystemen de motor zouden kunnen starten bij temperaturen die lager zijn dan de olie in de oliepomp kan laten stromen. Bijgevolg hadden de nieuwe regels een verdunnend effect op de olie.
De autofabrikanten bevelen nu dunnere oliën aan voor hun voertuigen dan in het verleden. Jaren geleden was SAE 10W-40 de meest aanbevolen viscositeitsklasse, later gemigreerd naar SAE 10W-30. SAE 5W-30 is nu het populairst, maar Ford en Honda bevelen SAE 5W-20 aan. Het is waarschijnlijk dat SAE 5W-20 en andere dunne oliën op grotere schaal zullen worden toegepast om aan de CAFE-vereisten te voldoen.
Omdat de vereisten inzake koude doorstroming zijn gewijzigd en de brandstofbesparingstest de samenstellers naar de onderkant van de viscositeitsgraad duwt, lijken de SAE 10W-30 oliën van vandaag meer op de SAE 5W-30 oliën van gisteren (GF-1 spec). Daar komt nog bij dat er een tendens is naar autofabrikanten die dunnere kwaliteiten aanbevelen. Dit lijkt belachelijk. SUV’s en vrachtwagens, met hun inherent minder efficiënte vierwielaandrijving en bakstenen muur aerodynamica, hebben krachtige, benzine slurpende motoren nodig om hun massa snel te verplaatsen. Als reactie daarop adviseren autofabrikanten dunne oliën te gebruiken om brandstof te besparen. Ongelooflijk!
Viscositeit en slijtage
Dunnere oliën hebben minder weerstand, en dus minder wrijving en slijtage. Toch? Misschien in de testmotor of motoren die normaal werken. Maar wat dikkere oliën kunnen meer bescherming bieden bij zwaardere werkzaamheden zoals rijden door bergen, trekken van een boot, stoffige omstandigheden, korte ritten, hoge toerentallen, overbelasting, oververhitting en overkoeling.
Figuur 2. Ringslijtage
Alle schurende deeltjes gelijk aan of groter dan de oliefilmdikte zullen slijtage veroorzaken. Filters zijn nodig om verontreinigingen klein te houden. De andere kant van de vergelijking is de dikte van de oliefilm. Dikkere oliefilms kunnen grotere verontreinigingen bevatten.
De temperatuur heeft een groot effect op de viscositeit en de filmdikte. Als referentiepunt: een verhoging van de viscositeit met één SAE-klasse is nodig om de invloed van een verhoging van de motortemperatuur met 20°F te ondervangen. Op een bepaald referentiepunt is er ongeveer een verschil van 20°F. tussen de viscositeitsgraden SAE 30, 40 en 50. SAE 20 ligt iets dichter bij 30 dan de andere sprongen, omdat SAE 30 30°F hoger moet zijn dan SAE 20 om ongeveer dezelfde viscositeit te hebben.
Met andere woorden, een SAE 20 bij 190°F is ongeveer dezelfde kinematische viscositeit als een SAE 30 bij 220°F, die ongeveer dezelfde viscositeit is als een SAE 40 bij 240°F. Deze benadering werkt goed in het temperatuurbereik van 190°F tot 260°F. Men zou zich kunnen verbazen over het geringe verschil tussen zuivere viscositeit versus multiviscositeit oliën met hetzelfde rugnummer (bijvoorbeeld SAE 30, SAE 5W-30, en SAE 10W-30).
Als een SAE 50 olie bij 260°F even dun is als een SAE 20 olie bij 190°F, stel je dan eens voor hoe dun de oliefilm wordt als je een SAE 5W-20 gebruikt en je motor oververhit raakt. Wanneer een motor oververhit raakt, wordt de oliefilm gevaarlijk dun en kan scheuren.
Ford stuit op zijn CAFE-eisen en beveelt SAE 5W-20-olie aan voor de meeste van zijn motoren in de Verenigde Staten. Het beweert dat SAE 5W-20 optimaal is voor brandstofefficiëntie en slijtage.
Om te bepalen of SAE 5W-20 oliën hetzelfde beschermingsniveau bieden als SAE 5W-30 oliën, werd Dagenham Motors in Engeland, een van de grootste Ford-dealers in Europa, geraadpleegd. SAE 5W-30 is in Engeland voor garantiedoeleinden verplicht, en SAE 5W-20 is niet eens verkrijgbaar. Als SAE 5W-20 beter zou zijn voor zowel brandstofbesparing als slijtage, waarom zou Ford het dan niet aanbevelen voor zijn zelfde motoren in Europa?
Antiwear Property Changes
Een andere verandering die is opgetreden in motoroliën voor personenauto’s met GF-2 en GF-3 is een strengere limiet voor fosfor, dat deel uitmaakt van het zinkfosfaat (ZDDP) antislijtage additief. De autofabrikanten vrezen dat fosfor zich zal afzetten op de oppervlakken van de katalysator en de levensduur ervan zal verkorten.
Dit is een gecompliceerde kwestie, en de afzetting hangt af van de specifieke ZDDP-chemie en de uiteindelijke olieformulering. De industrie is er niet in geslaagd een motortest te ontwikkelen voor de neiging van een olie om zich in de katalysator af te zetten. Daarom hebben de autofabrikanten voor motorolie een arbitraire limiet van 0,1 procent fosfor vastgesteld.
Antislijtageadditieven zijn belangrijk bij afwezigheid van een hydrodynamische film, zoals in de kleppentrein. De antislijtageadditieven worden geactiveerd door wrijvingswarmte, waardoor ze met het hete oppervlak reageren en een chemische barrière tegen slijtage vormen.
Het mechanisme waardoor zich fosforafzettingen op katalysatoroppervlakken vormen, wordt niet volledig begrepen. Het staat niet in direct verband met de vluchtigheid van de olie of het olieverbruik. Aan de andere kant, als door motorslijtage het olieverbruik toeneemt, zou het risico van de vorming van fosforafzettingen in de katalysator dramatisch toenemen. Het lijkt erop dat het voorkomen van slijtage en olieverbruik een prioriteit zou moeten zijn.
In het verleden konden olieformulatoren een premium product maken door simpelweg meer ZDDP toe te voegen. Een soortgelijke stap zou vandaag de dag resulteren in een olieformulering die de garantie op nieuwe auto’s niet zou ondersteunen.
Denken op korte termijn
Als slijtage toeneemt, neemt de efficiëntie van een motor af. Slijtage van de kleppentrein verandert de kleptiming en -beweging enigszins. Ring- en voeringslijtage beïnvloedt de compressie. De slijtage schaadt brandstofefficiency en machtsoutput door een onmerkbaar bedrag aanvankelijk, maar dan is het verschil in brandstofrendement tussen een SAE 10W-30 en SAE 5W-20 nauwelijks merkbaar. De efficiëntie blijft afnemen naarmate de slijtage toeneemt. Misschien is het optimaliseren van slijtagebescherming de manier om het brandstofverbruik gedurende de levensduur van de motor te verminderen.
Zeker motoren die aanzienlijke slijtage van ringen en voeringen hebben ondervonden, hebben baat bij dikkere oliën. Dikker oliegebruik resulteert in compressieverhogingen, prestatieverbeteringen en een lager olieverbruik.
High-mileage oils zijn een relatief nieuwe categorie motoroliën voor personenauto’s. Deze producten bevatten doorgaans meer detergenten/dispergeermiddelen en antislijtageadditieven dan nieuwe autooliën. Zij bevatten meestal een afdichtingsmiddel en zijn verkrijgbaar in dikkere viscositeitsklassen dan de meeste nieuwe auto’s aanbevelen. “Hoge kilometrage” lijkt te worden gedefinieerd als “zodra uw auto buiten de garantie valt.”
What To Use
Hoewel dunnere oliën met minder antislijtage additieven beter presteren dan robuustere producten in de 96-uurs brandstofbesparingstest, is het niet duidelijk dat dergelijke producten brandstof besparen over de nuttige levensduur van de motor.
Elke vloeistof is een compromis. De door de autofabrikanten aanbevolen oliën lijken een compromis te sluiten over de bescherming tegen slijtage onder zware omstandigheden om de brandstofbesparing en de duurzaamheid van de katalysator te vergroten. Het is belangrijk te beseffen dat het gebruik van een product dat meer bescherming tegen slijtage biedt, waarschijnlijk uw garantie in gevaar brengt. Dikkere oliesoorten verminderen ook de doorstroming bij koude temperaturen, wat een probleem kan zijn afhankelijk van het klimaat en het seizoen.
De beste bescherming tegen slijtage is waarschijnlijk een product dat iets dikker is (zoals SAE 10W-30 of 15W-40) en meer antislijtage additieven heeft dan de oliesoorten die onder de garantie vallen. De beste olie voor uw auto hangt af van uw rijgewoonten, de leeftijd van uw motor en het klimaat waarin u rijdt, maar het is niet noodzakelijkerwijs het type olie dat in het instructieboekje staat of op de peilstok is gestempeld.
