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
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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
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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 2006.
Molti costruttori stanno quindi producendo motori
marini 4T che incontrano questa
regolamentazione sulle emissioni.
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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
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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.
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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 6278.
L’olio deve superare un “General Purpose Engine Test” in un motore
Yamaha 115HP.
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Sviluppo di un olio FC-W ®:
Scelta del pacchetto di additivazione
Qual è la più importante qualità di un olio per imbarcazioni?
Performance
Thermal Stability
Anti-Wear Protection
Hydrolytic Stability
Relative Cost
ZINC DITHIOPHOSPHATE TYPES
Aryl
Primary Alkyl
Secondary Alkyl
Best
Medium
Worst
Worst
Medium
Best
Worst
Medium
Best
High
Low
Low
Source: W. Gergel, “Lubricant Additive Chemistry," The
International Symposium Technical Organic Additives and
Environment (1984)
É molto importante, quindi, scegliere un pacchetto di
additivi che contiene prevalentemente uno ZDP secondario!
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Sviluppo di un olio FC-W®:
Scelta del Viscosity Modifier
Qual è la scelta migliore?
Molecular Weight
Shear Stability Index
Viscosity (cSt100)
Viscosity after shear
% Viscosity loss
Olefin Copolymer Viscosity Modifiers
130,000
203,000
290,000
25
35
45
Formulated into SAE 10W-40 oil
15.1
15.4
15.2
13.1
12.3
10.9
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
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Aggiunta di un inibitore di corrosione
100
Reference Oil Avg = 37
Candidate Oil Avg = 11
% Rust
80
60
40
20
0
Reference Reference Reference Reference Candidate Candidate Candidate Candidate
oil test 1 oil test 2 oil test 3 oil test 4 oil test 1 oil test 2 oil test 3 oil test 4
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 = 11
% Rust
80
60
40
20
0
Reference Reference Reference Reference Candidate Candidate Candidate Candidate
oil test 1 oil test 2 oil test 3 oil test 4 oil test 1 oil test 2 oil test 3 oil test 4
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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.
2.
3.
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.
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.
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.
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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 2010
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Un approccio agli oli
FC-W Catalyst Compatible
Specifica API/ILSAC
SG 0.12%P max
SL
0.10%P max
SM 0.08-0.06%P
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Specifica FC-W
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.
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
A
B
C
D
E
API
SG
SG
SL
SL
SM
%P
0.12%
0.12%
0.10%
0.10%
0.08%
P Type
conventional
low volatility
low volatility
low volatility
low volatility
Base Oil
mineral
mineral
mineral
synthetic
synthetic
Volatility*
16
17
17
8
8
*ASTM D5800
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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.
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API SM / Low
Volatility ZDP
/ Synthetic
API SL / Low
Volatility ZDP
/ Synthetic
API SL / Low
Volatility ZDP
/ Mineral
API SG / Low
Volatility ZDP
/ Mineral
API SG /
Conventional
ZDP / Mineral
10 = Clean
Pulizia del Pistone
Average Piston Varnish
Pistone da un olio API SM
ZDP a bassa volatilità
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Base sintetica
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API SM / Low
Volatility ZDP
/ Synthetic
API SL / Low
Volatility ZDP
/ Synthetic
API SL / Low
Volatility ZDP
/ Mineral
API SG / Low
Volatility ZDP
/ Mineral
API SG /
Conventional
ZDP / Mineral
10 = Clean
Pulizia del treno valvole
Valve Deck Sludge
Treno valvole da un olio API SM
ZDP bassa volatilità
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Base sintetica
Protezione anti usura
Alesaggio e albero a camme
da un olio API SM
ZDP bassa volatilità
Base sintetica
Used Oil Fe Analyses (ppm)
100
80
60
40
20
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API SM / Low
Volatility ZDP
/ Synthetic
API SL / Low
Volatility ZDP
/ Synthetic
API SL / Low
Volatility ZDP
/ Mineral
API SG / Low
Volatility ZDP
/ Mineral
API SG /
Conventional
ZDP / Mineral
0
75
25
ZDP bassa volatilità
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Riduzione livello ZDP
Olio bassa volatilità
API SM / Low
Volatility ZDP
/ Synthetic
API SL / Low
Volatility ZDP
/ Synthetic
API SL / Low
Volatility ZDP
/ Mineral
API SG / Low
Volatility ZDP
/ Mineral
API SG /
Conventional
ZDP / Mineral
%P Retention in Used Oils
100
95
90
85
80
Massimo
Beneficio
Sommario di un olio di qualità
FC-W Catalyst Compatible™
Principali domande e risposte di questo studio
-
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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
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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.
2.
3.
Ridotto livello %P come definito da un olio di livello API SM.
Uno ZDP a bassa volatilità.
Un olio base a bassa volatilità.
Unendo tutte queste caratteristiche ad un prodotto FC-W si otterranno
notevoli vantaggi per l’ambiente.
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Una nuova specifica è stata sviluppata per gli oli
Catalyst Compatible FC-W
Specifica API/ILSAC
Specifica FC-W
SG 0.12%P max
API SG (min)
SL
0.10%P max
Spec FC-W Catalyst Compatible™
SM 0.08-0.06%P
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
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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
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Thank you
for your
attention!
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