Konventionell visdom säger att motoroljor som ökar bränsleekonomin ger mindre friktion och förlänger motorns livslängd. Syftet med den här artikeln är att utmana den konventionella visdomen, särskilt när det gäller moderna motoroljor (GF-3 ILSAC/API Starburst).
Bränsleekonomi:
För det första måste vi inse att den amerikanska konsumenten vanligtvis inte bryr sig om bränsleekonomi, utom under svåra ekonomiska tider. Det mest sålda passagerarfordonet är Ford F-Series Pickup. Fem av de tio mest sålda fordonen är lastbilar, och lastbilar säljer mer än bilar.
En del av lastbilarna kallas sport-utility vehicles, även kallade SUV:s, eftersom deras ägare inte vill erkänna att de är lastbilar. Massan (storlek och vikt) hos dessa fordon bidrar inte till en bra bränsleekonomi.
Figur 1. Lagerförslitning
Fundera dessutom på hur de flesta fordon körs. Den som accelererar långsamt eller kör i hastighetsbegränsningen för att spara energi är en fara för sig själv och andra förare som har mycket mer bråttom.
Automobiltillverkarna är å andra sidan bekymrade över bränsleekonomin. Tillverkaren riskerar stora böter om den bilflotta som tillverkas inte når upp till CAFE-kraven (Corporate Average Fuel Economy) som den federala regeringen har infört.
Marschen mot tunnare oljor
Tunnare oljor används numera av tre skäl: De sparar bränsle i testmotorer, viskositetsreglerna har ändrats och tillverkarna rekommenderar tunnare oljor.
Sekvens VI-B är det test som används för att utvärdera bränsleekonomin för GF-3-specifikationen. VI-B-testmotorn är utrustad med en rullkam, medan det gamla Sequence VI-testet använde en slidernam. Det gamla Sequence VI-testet reagerade bra på friktionsmodifierande medel, men Sequence VI-B reagerar på tunnare oljor.
Testoljans bränsleeffektivitet jämförs med bränsleeffektiviteten hos en referensolja i Sequence VI-B-testet. För att klara testet måste testoljan förbättra bränsleekonomin med en till två procent, beroende på viskositetsklass. SAE 5W-20 måste ge högre relativ bränsleeffektivitet än SAE 5W-30.
Det är intressant att notera att referensoljan är helt PAO-syntetisk SAE 5W-30. För att kvalificera sig för GF-3 Starburst måste vanliga mineraloljor slå bränsleekonomin hos den helsyntetiska referensoljan. (Det verkar som om det finns mer till bränsleekonomi än en magisk basolja.)
En annan faktor för bränsleekonomi är tillfällig polymerskjuvning. Dessa polymerer är tillsatser som kallas viskositetsindexförbättrare (eller modifierare). Polymerer är plaster som löses upp i olja för att ge multiviskositetsegenskaper. Precis som vissa plaster är hårdare, sprödare eller mer värmebeständiga än andra, har olika polymerer olika egenskaper.
Polymerer är enorma molekyler med många grenar. När de värms upp avrullas de och sprids ut. Förgreningarna trasslar in sig i andra polymermolekyler och fångar in och kontrollerar många små oljemolekyler. Därför kan en relativt liten mängd polymer ha en enorm effekt på oljans viskositet.
När oljan pressas mellan ett lager och en lagerhushållare har många polymerer en tendens att rikta in sig på varandra, ungefär som nischade skedar. När detta sker sjunker viskositeten. När oljan sedan fortskrider genom lagret, tar polymermolekylerna sig samman igen och viskositeten återgår till det normala. Detta fenomen kallas tillfällig skjuvning.
Eftersom sekvens VI-B-testet reagerar på minskningar av viskositeten förlitar sig oljeformulatorer på polymerskjuvning för att klara testet. En skjuvstabil polymer gör det mycket svårare att klara GF-3-testet för bränsleekonomi.
Nya regler som definierar kallflödeskraven för SAE-viskositetsklasser (SAE J300) trädde i kraft i juni 2001. Biltillverkarna var rädda för att moderna insprutningssystem skulle kunna låta motorn starta vid lägre temperaturer än vad oljan kunde strömma in i oljepumpen. Följaktligen hade de nya reglerna en förtunnande effekt på oljan.
Automobiltillverkarna rekommenderar nu tunnare oljor för sina fordon än tidigare. För flera år sedan var SAE 10W-40 den vanligaste rekommenderade viskositetsklassen, som senare övergick till SAE 10W-30. SAE 5W-30 är mest populärt nu, men Ford och Honda rekommenderar SAE 5W-20. Det är troligt att SAE 5W-20 och andra tunna oljor kan komma att användas i större utsträckning för att hjälpa till att uppfylla CAFE-kraven.
På grund av förändringen av kraven på kallflöde och bränsleekonomitestet, som pressar formgivarna mot botten av viskositetsklassen, liknar dagens SAE 10W-30-oljor mer gårdagens (GF-1-specifikation) SAE 5W-30-oljor. Dessutom finns det en trend mot att biltillverkarna rekommenderar tunnare kvaliteter. Detta verkar löjligt. SUV:er och lastbilar, som i sig är mindre effektiva med fyrhjulsdrift och en aerodynamik som är som en vägg av tegelstenar, behöver kraftfulla, bensinslukande motorer för att kunna förflytta sin massa snabbt. Biltillverkarna rekommenderar därför att man använder tunna oljor för att spara bränsle. Otroligt!
Viskositet och slitage
Tunnare oljor har mindre dragkraft och därmed mindre friktion och slitage. Eller hur? Kanske i testmotorn eller motorer som upplever normal drift. Men något tjockare oljor kan ge mer skydd vid svårare drift, t.ex. körning genom berg, dra en båt, dammiga förhållanden, korta resor, höga varvtal, överbelastning, överhettning och överkylning.
Figur 2. Ringslitage
Alla slippartiklar som är lika med eller större än oljefilmens tjocklek orsakar slitage. Filter är nödvändiga för att hålla föroreningarna små. Den andra sidan av ekvationen är oljefilmtjockleken. Tjockare oljefilmer kan rymma större föroreningar.
Temperaturen har stor inverkan på viskositet och filmtjocklek. Som en referenspunkt kan nämnas att det krävs en ökning av viskositeten med en SAE-klass för att övervinna påverkan av en ökning av motortemperaturen med 20°F. Vid en given referenspunkt är det ungefär en skillnad på 20°F mellan viskositetsklasserna SAE 30, 40 och 50. SAE 20 ligger något närmare 30 än de andra hoppen, eftersom SAE 30 måste vara 30°F högre än SAE 20 för att vara ungefär likvärdig viskositet.
Med andra ord är en SAE 20 vid 190°F ungefär samma kinematiska viskositet som en SAE 30 vid 220°F, som är ungefär samma viskositet som en SAE 40 vid 240°F. Denna approximation fungerar bra i temperaturområdet 190°F till 260°F. Man kan bli förvånad över den lilla skillnad som finns mellan oljor med rak viskositet och oljor med flera viskositeter med samma bakre nummer (t.ex. SAE 30, SAE 5W-30 och SAE 10W-30).
Om en SAE 50-olja vid 260°F är lika tunn som en SAE 20-olja vid 190°F, föreställ dig då hur tunn oljelagret blir när du använder en SAE 5W-20 och din motor överhettas. När en motor överhettas blir oljefilmen farligt tunn och kan brista.
Ford har stött på sina CAFE-krav och rekommenderar SAE 5W-20-olja för de flesta av sina motorer i USA. Företaget hävdar att SAE 5W-20 är optimalt för bränsleeffektivitet och slitage.
För att avgöra om SAE 5W-20-oljor ger samma skyddsnivå som SAE 5W-30-oljor rådfrågades Dagenham Motors i England, en av de största Ford-återförsäljarna i Europa. SAE 5W-30 krävs av garantiskäl i England, och SAE 5W-20 finns inte ens att tillgå. Om SAE 5W-20 var bättre för både bränsleekonomi och slitage, varför skulle Ford då inte rekommendera den för samma motorer i Europa?
Förändringar av slitageskyddande egenskaper
En annan förändring som skett i motoroljor för personbilar med GF-2 och GF-3 är en strängare gräns för fosfor, som är en del av den slitageskyddande tillsatsen zinkfosfat (ZDDP). Biltillverkarna är oroliga för att fosfor ska avsättas på katalysatorns ytor och förkorta dess livslängd.
Detta är en komplicerad fråga, och avsättningarna beror på den specifika ZDDP-kemin och den färdiga oljans sammansättning. Industrin har inte lyckats utforma ett motortest för en oljes tendens att bilda avlagringar i katalysatorn. Därför fastställde biltillverkarna en godtycklig gräns för motorolja på 0,1 procent fosfor.
Anti-slitagetillsatser är viktiga i avsaknad av en hydrodynamisk film, t.ex. i ventilsystemet. Anti-slitagetillsatserna aktiveras av friktionsvärme, vilket gör att de reagerar med den varma ytan och bildar en kemisk barriär mot slitage.
Mekanismen genom vilken fosforavlagringar bildas på katalysatorytor är inte helt klarlagd. Den korrelerar inte direkt med oljevolatilitet eller oljeförbrukning. Om motorförslitningen å andra sidan leder till att oljeförbrukningen ökar, skulle risken för att det bildas fosforavlagringar i katalysatorn öka dramatiskt. Det verkar som om förebyggande av slitage och oljeförbrukning bör prioriteras.
Förr kunde oljebildare göra en premiumprodukt genom att helt enkelt tillsätta mer ZDDP. En liknande åtgärd idag skulle resultera i en oljeformulering som inte skulle stödja nya bilars garantier.
Kortsiktigt tänkande
När slitaget ökar minskar motorns effektivitet. Slitage av ventilsystemet ändrar något på ventilernas timing och rörelse. Slitage av ringar och foder påverkar kompressionen. Slitaget skadar bränsleeffektiviteten och effekten med en omärklig mängd i början, men sedan är skillnaden i bränsleekonomi mellan en SAE 10W-30 och SAE 5W-20 knappt märkbar. Effektiviteten fortsätter att sjunka med stigande slitage. Kanske är optimering av slitageskyddet ett sätt att minska bränsleförbrukningen under motorns livslängd.
Säkerligen gynnas motorer som har utsatts för betydande slitage av ringar och foderringar av tjockare oljor. Användning av tjockare olja resulterar i ökad kompression, förbättrade prestanda och minskad oljeförbrukning.
High-mileage-oljor är en relativt ny kategori av motoroljor för personbilar. Dessa produkter innehåller vanligtvis mer rengöringsmedel/dispergeringsmedel och slitageskyddande tillsatser än nya biloljor. De innehåller vanligtvis ett svällmedel för tätning och finns i tjockare viskositetsklasser än vad de flesta nya bilar rekommenderar. ”Hög körsträcka” tycks definieras av ”så snart bilen inte längre omfattas av garantin.”
Vad man ska använda
Och även om tunnare oljor med mindre slitageskyddande tillsats presterar bättre än mer robusta produkter i 96-timmars bränsleekonomitestet, är det inte uppenbart att sådana produkter sparar bränsle under motorns livslängd.
Alla vätskor är en kompromiss. Oljor som rekommenderas av biltillverkarna verkar kompromissa med skyddet mot slitage under svåra förhållanden för att vinna bränsleekonomi och katalysatorns hållbarhet. Det är viktigt att inse att om du använder en produkt som ger mer skydd mot slitage kommer du sannolikt att äventyra din garanti. Tjockare oljor försämrar också flödet vid kalla temperaturer, vilket kan vara ett problem beroende på klimat och årstid.
Det bästa skyddet mot slitage är förmodligen en produkt som är lite tjockare (t.ex. SAE 10W-30 eller 15W-40) och har fler slitageskyddande tillsatser än de oljor som stöder garantin. Den bästa oljan för ditt fordon beror på dina körvanor, motorns ålder och klimatet du kör i, men det är inte nödvändigtvis den oljetyp som anges i bruksanvisningen eller är stämplad på oljemätstickan.
