Heavy-Duty Diesel Engine Oil Entwicklungen und Trends

Emissions-Design-Strategien für 2007

Cummins, Detroit Diesel, International-Navistar, Mack und Volvo Nordamerika beschäftigt haben, die Verwendung von schweren AGR (30 bis 35 Prozent) geschlossen Kurbelgehäuseentlüftung und Diesel-Partikelfiltern, um Ruß und andere Partikel.

Caterpillar setzt seine fortschrittliche Verbrennung Emission Reduction Technology (ACERT), ein moderner Verbrennungs-Prozess, der saubere Gas-Induktion (CGI), geschlossener Kurbelgehäuseentlüftung und Diesel-Partikelfilter. CGI setzt die Verwendung von Remote-AGR, eine geschlossene Kurbelgehäuseentlüftung und Diesel-Partikelfilter-System mit aktiver Regeneration. CGI zieht sauber inertem Ruß-Abgas frei von der nachgeschalteten Partikelfilter und dann macht das saubere Gas in die Aufnahme-System. Das saubere Gas nicht induzieren Motor Verschleiß und die geringe Ansaugkrümmers Gas Temperatur des CGI trägt zu niedrigeren NO x-Emissionen. Die Partikel-Filter verwendet eine "Walled-Flow-Filter-Technologie. Regeneration ist notwendig, um den Prozess der Oxidation verhindert, dass der Ruß sammelt, dass entlang der Bucht Wände des Filters. Um Regeneration, bei der Abgas-beheizt durch Hilfsmittel. Die Regeneration erfolgt nur bei Bedarf. Caterpillar Motoren, 500 PS oder weniger wird ein Diesel-Partikelfilter. Motoren von 550 PS oder mehr erfordert Dual-Partikel filters.1

Alle OEMs haben geschlossen Kurbelgehäuseentlüftung, um die schädlichen Dämpfe in das Kurbelgehäuse. Diese Dämpfe sind in die Maschine die Aufnahme-System, (in der Regel über den Ansaugkrümmer), wo sie verbrannt werden als Teil der Verbrennung, anstatt dass sie in die Atmosphäre.

Abbildung 2. Single-Phase PDPF3

Diesel-Partikelfiltern

Diesel-Partikelfilter (DPF), manchmal auch als Fallen, die große Ähnlichkeit mit Schalldämpfer sind Nachbehandlung Geräte zur Entnahme von 90 Prozent der Partikel aus Diesel-Abgas. Sie sind poröse Filter im Allgemeinen aus einer Hochtemperatur-Keramik-Struktur oder dicht gepackt Keramik und Metall-Fasern (Abbildungen 1 und 2).

Diesel-Partikelfilter physisch erfassen Partikel in der Diesel-Abgas-und verhindern, dass ihre Entlassung aus dem Auspuffrohr, während die Abgase entweichen. Um die Partikel-Filter von Verschmutzungsanzeige, gesammelten Partikel wie Ruß muss aus dem Filter durch Verbrennung bei hohen Temperaturen aus. Dieser Prozess ist bekannt als Regeneration. Regeneration, was getan werden kann, entweder in regelmäßigen Abständen oder kontinuierlich, die entweder die Verwendung von elektrischen Heizungen, passive Wärme aus dem Auspuff oder die Injektion von einer kleinen Menge von Diesel-Kraftstoff in das Abgassystem in die Filter zu verbrennen die gesammelten Partikel vollständig. Alle verbleibenden Rückstände und Asche geblasen wird gegen den Abgasdurchsatz und in einen Behälter für die Entsorgung Falle. Diese Fallen müssen regelmäßig gereinigt werden, um die Diesel-Partikelfilter aus Verschmutzungsanzeige. Onboard-Diagnose die Partikelfilters Zustand und verwalten Regeneration. Wenn Regeneration benötigt wird und das Fahrzeug im Leerlauf ist, dass die Reformer an Bord Kraftstoff umwandeln Diesel zu einer Wasserstoff-reich, heißer brennt Kraftstoff wird durch Onboard-Diagnose-Signal, dass der Betreiber über die Einleitung der Regeneration. Eine Alternative zur Aufbereitung an Bord ist die Reinigung des Diesel-Partikel-Filter zu einem Wartungs-Anlage. Die EPA setzt voraus, dass Diesel-Partikel-Filter für mindestens

150.000 Meilen, bevor sie gereinigt werden. Die Emissionen müssen für 435.000 Meilen.

Auswirkungen der Emissionen Strategien

Die Motoren werden 2007 teurer. Diesel-Partikelfilter und Hardware sind ein Anstieg des Preises für ein neues Lkw-von $ 6.000 bis $ 10.000. Diesel-PartikelFilter-Service, die eventuell benötigt werden, alle 150.000 Meilen, wird erwartet, dass Kosten $ 150 oder weniger Zeit. Ultra-Schwefel-Diesel (15 ppm S) wird mehr kosten, haben eine geringere Wärme (BTU) Inhalt bei einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs und kann zu vorzeitigem Ausfall Injektor aufgrund seiner mangelnden Schmierfähigkeit.

Die Motoren werden 2007 mehr Ruß und Erfahrung Zylinder höhere Temperaturen auf den höheren Ebenen der AGR. Dies führt dazu, dass der Motor läuft heißer und eine Motor-Öl mit verbesserten Oxidationsbeständigkeit. Zum Schutz der Nachbehandlung Geräte, Motoröl muss enthalten unteren Sulfatasche-, Schwefel-und Phosphor-Inhalte, während immer noch bietet optimalen Schutz fürdie Kontrolle der Kolben Einlagen, oxidative Eindickung, Öl-Verbrauch, hohe Temperaturbeständigkeit, Ruß Handling-Eigenschaften, Schäumen und Viskosität wegen Scheren.

API-CJ-4 API-CJ-4 ist die jüngste in einer Reihe von Motor-Öl-Upgrades für schwere Diesel-Motorenöle. Entwicklung von API-CJ-4 wurde im Jahr 2006 abgeschlossen und als API-CJ-4 für die Zulassung am 15. Oktober 2006.

Zum Schutz der Nachbehandlung Geräte, chemische Grenzwerte wurden zum ersten Mal für schwere Diesel-Motorenöle. Die Grenzwerte für chemische API CJ-4 Ziel der Motor Öl Sulfatasche, Phosphor und Schwefel-Inhalt, gemeinhin als SAPS. Diese chemischen Grenzen gehören die folgenden:

• 1,00 Prozent maximal Sulfatasche (pro ASTM D874)
• 0,12 Prozent maximal Phosphor (gemäß ASTM D4951)
• Maximal 0,40 Prozent Schwefel (gemäß ASTM D4951 oder ASTM D2622)

Zusätzlich zu diesen chemischen Grenzwerte, eine Volatilität von maximal 13 Prozent, die durch die Volatilität NOACK Prüfmethode ASTM D5800 wurde für API-CJ-4.

SAPS befinden sich in oder aus Komponenten (Zusatzstoffe und Basisöle) in Motoröl Formulierungen. Diese verschiedenen Komponenten verwendet werden,die dazu beitragen sollen erweitert Ölablass Abständen, Basis-Nummer (BN) die Aufrechterhaltung und zum Schutz gegen Verschleiß, Oxidation, Korrosion und Kolben Einlagen. Obwohl SAPS erhebliche Vorteile, sie können dazu führen, dass Probleme in den 2007-konform und künftigen Motor Designs erforderlich, um die 2010-Emissionen werden, sofern sie zu hoch sind.

Die Sorge für die ordnungsgemäße Funktionieren des 2007-konforme Emission Motor liegt in der Sulfatasche Auswirkungen auf die Nachbehandlung, wie Diesel-Partikelfilter.

Sulfatasche

Sulfatasche Der Begriff bezieht sich auf die Höhe der metallischen Elemente in Motoröle, die zumeist aus dem Motoröl die Wasch-und antiwear Zusatzstoffs Chemie. Diese Additiv-Pakete enthalten mehrere Komponenten auf der Grundlage von Metallen wie Calcium, Magnesium, Zink, usw. Da eine 100-Prozent-Dichtung zwischen der Kolbenringe kann nie erreicht werden, eine bestimmte Menge vonMotor-Öl wird in der Verbrennung brennen.

Da der Motor Öl in den Brennraum und Verbrennungen, dessen Rückstände als Asche-Material. Diese Asche-Material zu Einlagen in der Krone über dem Land Kolbenring sowie die Einlagen in den Ring Nuten. Diese Ablagerungen können dazu führen, dass Reibung Verschleiß der Zylinderlaufbuchse und dazu führen, dass der Kolbenringe nicht frei. Letztlich, so die Zylinderlaufbuchse-zu-Ring-Schnittstelle ist kompromittiert hohen Ölverbrauch kann occur.4 Zusätzlich zu diesen Ablagerungen, anorganische Verbindungen aus dem Schmieröl der Zusatzstoffe können oxidiert bei der Verbrennung erzeugen und MetallOxid-Partikel. Diese Partikel können mit dem nachgeschalteten Abgas-und sammeln auf dem Diesel-Partikelfilter. Diese Asche Partikel nicht entfernt werden können, durch die Filter Regeneration, denn sie sind nicht brennbar. Da die Asche Partikel sammeln, sie zu filtern, dass die Blockade wieder erhöht Druck auf den Motor, Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs und der Verringerung der Macht. Ash Teilchen Aufbau erfordert auch eine häufigere Reinigung der Partikelfilter durch mechanische Mittel, wie zB Druckluft oder Wasser-Puls-Verfahren.

Ein Motor Oil Sulfatasche Inhalte auch direkt auf einem Motor Öl Neutralisierungder Säure-Fähigkeiten (BN), da die meisten von einem Motor der BN Öl kommt aus der Metall-, die Waschmitteladditive. Im Allgemeinen, desto höher ist ein Motor derÖl-BN, desto höher ist sein Inhalt und die Asche mehr seine Fähigkeit zur Verhinderung sauren Korrosion im Motor. Zum Glück, mit dem Auftrag Verwendung von ultra niedrigem Schwefelgehalt in Dieselkraftstoff auf Autobahn-Anwendungen, Korrosion von Brennstoff Schwefel wird weniger eine Notwendigkeit für BN und somit einen geringeren Aschegehalt.

Abbildung 3. Auswirkungen der Regelung für die einheitliche Flächenzahlung für Partikelfilter

Schwefel die Quelle und ihre AuswirkungenSchwerlast-Diesel-Motor Öle bestehen aus etwa 75 bis 85 Prozent auf Öl mit dem Rest aus der Zusatzstoff-Systeme. Die Schwefel-Konzentration in der Öl-Basis im Bereich von Null (Basis synthetischer Flüssigkeiten wie PAO), um so hoch wie die0,5 Prozent des Gewichts (Gruppe I auf Vorrat). Schwefel in einer Basis-Öl reduziert werden kann durch den Einsatz von Wasserstoff und Raffinerie Hydrokracken Methoden auf ein Niveau von weniger als 0,1 auf weniger als 0,3 Prozent nach Gewicht. Das Additiv-Systeme sind ebenfalls wichtige Quellen von Schwefel. Die Schwefel-Zusatzstoffe, die in der Formulierung von schwerenDiesel-Motor Öle sind die Wasch-, antiwear Einwirkungen (vor allem aus Zink dithiophosphate, ZDTP oder ZDDP), Korrosionsinhibitoren, Reibung Bestimmungswörtern und Antioxidantien.

Es wurde geschätzt, indem die EPA, dass jede Menge von 1 ppm bis 7 ppmSchwefel kann zu den Diesel-Motor ist Auspuff, wenn der Motor Öl in den Brennraum und verbrennt. Das Worst-Case-Schätzung von 7 ppm ist abhängig vonnominal schwere Diesel-Kraftstoff-und Ölverbrauch von 6 Meilen pro Gallone und 1 quart pro 2000 Meilen sind.

Im normalen Betrieb ist nur ein kleiner Prozentsatz der Motor Öl verbraucht durch offene Kurbelgehäuseentlüftung schwere Diesel-Motoren fährt vorbei an denRingen und Verbrennungen in den Brennraum. Der Rest der verbrauchten Öl verloren durch Verdampfung durch emittiert durch die KurbelgehäuseentlüftungRohr und wird nicht verbrannt. Wenn ein Motor-Öl, die eine

Schwefel-Ebene von mehr als 0,4 Prozent der Höchstgrenze für die API-CJ-4 wurde in einer 2007-konforme Motor, der geschlossen KurbelgehäuseentlüftungSystem würden die Öl verdampft und führt es durch die Abgase stream.5, 6,7

Einmal in das Abgassystem, Schwefel hemmen können, die Wirksamkeit der Partikelfilter durch Vergiftung der Katalysatoren. Diese Vergiftung des Katalysators kann die Umwandlung von Schwefel Oxide Sulfate zu, was die Partikel-Emissionen und die Akkumulation von Partikeln Material. Kumulation von Partikeln Material kann zu einer Verringerung der Motorleistung, aufgrund der erhöhten Gegendruck und letztlich Scheitern der Falle. Zur Klärung Schwefel, wenn sie vergiftet die Katalysatoren, es desensitizes und Blöcke aktive Websites über die Katalysatoren. Dies führt dazu, dass der Schwefel-Oxiden, die konvertiert werden sollen, um Sulfat-Partikel, die Erhöhung der Partikelemissionen und führt auch zu dem Aufbau von Feststoffteilchen in der Nachbehandlung Geräte.

Abbildung 4. Nordamerikanischen Markt-Szenarien bis 2009

Phosphor-Quelle und die Auswirkungen

Die primäre Quelle von Phosphor in Hochleistungs-Diesel-Motor Öl stammt aus dem antiwear Agent Zink dithiophosphate (ZDDP). Phosphor kommt auch von Korrosionsinhibitoren, Reibung Modifikatoren, Korrosionsinhibitoren undAntioxidantien. Typisch, vor 2007, CI-4 Plus Art Heavy-Duty Diesel Motor Öle,die 0,11 Prozent auf 0,15 Prozent des Gewichts des Phosphors. New CJ-4 Öle haben eine Phosphor maximal 0,12 Prozent.

Einmal in das Abgassystem, Phosphor kann die Effizienz und deaktivieren Sie die Edelmetall-Katalysatoren durch Beschichtung und der Aufbau auf dem aktiven Katalysator-Sites, zu irreversiblen Schäden, sammelt sich im Laufe der Zeit. Als Folge erhöhte Mengen an schädlichen Emissionen wie NO X, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen durch den Katalysator unverändert, was zu einer erhöhten NO X, CO und Kohlenwasserstoff-Emissionen.

Paradigmenwechsel in der Öl-Engine-Technologie

Ein Ziel von API-CJ-4 wurde die Abwärtskompatibilität mit der Öl-Formulierungen der älteren API CI-4-und CI-4 Plus Klassifikationen. Allerdings ist die Beschränkung der Regelung für die einheitliche Flächenzahlung hat zu einemParadigmenwechsel in der Motor-Öl-Technologie. Die Senkung der Asche Ebenen von der Norm von 1,3 Prozent auf 1,5 Prozent zu der obligatorischen höchstens 1,0Prozent und die weitere Reduzierung der Schwefel-Ebenen der Basis Öl-und Zusatzstoffe auf maximal 0,4 Prozent wird anstelle der herkömmlichen Metall-Chemie mit Zusatzstoffs mit alternativen Zusatzstoff Chemie, die in geringen metallischen Inhalts-, Schwefel-und in einigen Fällen aschenfreien. DieVerwendung dieser alternativen Zusatzstoff Chemie hat der Motor Öl der BN aufein Niveau von 8 bis 10 aus. Diese Senkung der BN kann Ölablass Abständen in Off-Highway-Diesel-Motoren, die immer noch die Möglichkeit erhalten, geringem Schwefelgehalt Diesel-Kraftstoff (maximal 500 ppm) bis 2010. Für Diesel-Highway-Motoren, diese Senkung der BN nicht erwarteten Auswirkungen auf dieaktuellen Öl-Drain Abständen, weil die Verwendung von extrem geringem Schwefelgehalt Diesel (15 ppm Maximum) wird die ausgleichender Faktor in derGleichung Ölablass Intervall. Diese Faktoren könnten zu einer Unterscheidung von zwei verschiedenen Motoröle: eine für die Off-Highway-Diesel-Motoren und den anderen für die Autobahn-Diesel-Motoren (siehe Abbildung 4) für die nächsten Jahre. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass einige OEMs wird BN Minimum, abhängig von der Anwendung ihre Motoren werden in.

CJ-4 kann mit dem 500 ppm Schwefel Kraftstoff verwendet werden im Off-Road-Dieselmotoren von 2007 bis 2010, aber es kann eine Verringerung der ÖlablassAbständen von früheren Öle.

Um die API-CJ-4-Grenze von 0,12 Prozent Phosphor, die Höhe der ZDTP bei derFormulierung von schweren Diesel-Motor Öle wurde verringert. Diese Reduzierung der ZDTP wird die Verwendung von alternativen aschenfreien antiwear Agenten zum Schutz der Ventiltrieb von Verschleiß.

Die Verringerung der Schwefel-Ebene auf 0,4 Prozent zusammen mit der maximalen NOACK Volatilität Grenzen von maximal 13 Prozent und die Notwendigkeit einer verstärkten Oxidationsstabilität durch die erhöhte thermischeBelastung auf der Motor Öl aus der Verwendung von schweren AGR-Raten und Nachbehandlung haben zu einer verstärkte Nutzung der Gruppe II, Gruppe III und Gruppe IV basestocks.

Abbildung 5. Future Engine Technology 2010

Abwärtskompatibilität

ASTM Auftrag Abwärtskompatibilität mit vorhandenen API CI-4-und CI-4 Plus Motoröle für die API-CJ-4-Einstufung. Um sicherzustellen, dass die Abwärtskompatibilität, eine Kombination der bestehenden CI-4-und CI-4 Plus Labor-und Motor-Bank Tests werden in Verbindung mit den neuen Motor Folge, dass die Tests nutzen ultra low Schwefel Dieselkraftstoff. Der neue MotorSequenz-Tests für die API-CJ-4 sind die folgenden:

• Mack T-12 - Das 300-Stunden-Test misst die Motoröl die Fähigkeit zum Schutz gegen die Macht Zylinder tragen, Ruß Verdickung, mit Korrosion und Oxidation bei hohen Temperaturen und hohen AGR-Raten.
• Caterpillar C-13 - Das 500-Stunden-Test basiert auf einer modifizierten C-13 auf der Autobahn-, sechs-Zylinder, 445 PS-Motor mit ACERT Technologie und geschlossenen Kurbelgehäuseentlüftung. Der Test misst dasMotoröl in der Lage ist, Schutz vor übermäßigen Ölverbrauch und die Bildung von Kolben Einlagen.
• Cummins ISB - Dieser Test nutzt die Cummins 5.9L ISB MediumDuty-Diesel-Motor mit EGR-und Diesel-Partikelfilter. Diese 350-Stunde,Zwei-Phasen-Test ist dafür ausgelegt, der Motor Öl in der Lage zu verhindern, Schieber-Ventil-Bahn Verschleiß-und Nachbehandlung Kompatibilität.
• Cummins ISM - die 200-Stunden-, vier-Stufen-Test bewertet ein Motor Öl die Fähigkeit zum Schutz Turbo, nach gekühlte Viertakt-Cycle-Diesel-Motoren mit AGR-Ventil-Zug gegen Verschleiß, Zylinder und Liner tragen, Filter Plugging und Hinterlegung Bildung unter Ruß-Beladungszuständen.

Engine-Technologie für das Jahr 2010 Im Jahr 2010, auf der Autobahn-Diesel-Emissionen weiter gesenkt werden auf 0,2 g / PS-HR für NO x und Partikel-Emissionen bleiben bei 0,01 g / PS-Std. Am Autobahn-Diesel-Emissionen in Verbindung mit dem Mandat Verwendung von Ultra-Low-Schwefel-Diesel-Kraftstoff für die Off-Highway-Diesel-Motoren AnfangJuni 2010 wird zu einer weiteren Motor Design-Änderungen und die Verwendung von zusätzlichen Nachbehandlung Technologien sowie die Nutzung des aktuelle Diesel-Partikelfilter-Technologie. Die zusätzliche Nachbehandlung Geräte, die verwendet werden sind:

• Lean NO x-Katalysatoren (LNC) Lean NO x-Fallen (LNT)
• NO x-Speicherkatalysator Verringerung Katalysatoren (NSRC)
• DeNOx-Katalysatoren
• NO X-Absorber
• selektive katalytische Reduktion (SCR)
• Diesel-Oxidations-Katalysatoren (DOC)

Die Verwendung dieser Geräte Nachbehandlung wird zu einer weiteren chemischenGrenzen gebracht werden künftige schwere Diesel-Motor Öle, um sicherzustellen, Katalysator Kompatibilität. Dies wird dazu führen, dass die Entwicklung einesneuen Motors Öl Service Einstufung für schwere Diesel-Öle, die eine sorgfältige Abwägung im Motor, die Haltbarkeit zu bestehenden Motoren, während noch dieNachbehandlung Verträglichkeit und Leben. Dieser neue Motor Öl-Service-Einstufung muss vorhanden sein, und bereit für den Einsatz bis Ende 2009. Es wird erwartet, dass API in Verbindung mit den OEMs und ASTM, werden die Arbeiten auf dem PC-11 (möglicherweise werden als API CK-4) irgendwann Ende 2007 oder Anfang 2008.

Referenzen

• Caterpillar kündigt ACERT ®-Technologie für das Jahr 2007 für On-Highway-Motoren.

• Jim Galligan. "2007 Motoren, It's All About DPF." Light & Medium-Duty LKW-Magazin, Juni 2005, S. 22.

• Jim Galligan. "2007 Motoren, It's All About DPF." Light & Medium-Duty LKW-Magazin, Juni 2005, S. 28.

• David McFall. "Säfte und Emissionen Hürden ohne Ende." Lubes & Fette, Mai 2005.

• Shawn Whitcare. "Catalyst Kompatibel Diesel Engine Öle." DECSE PhaseII-Präsentation auf der DOE / NREL Workshop "Exploring emissionsarme DieselMotor Öl." 31. Jan. 2000.

• USEPA; Dezember 2000 Regulatory Impact Analysis: Heavy-Duty-Engine und Kfz-Normen und Autobahn Diesel Treibstoff Schwefel Anforderungen. Kapitel III,
  S. 96-98 EPA 420-R-00-26 Beurteilung und Normen Abteilung, Amt für Verkehr und Luftqualität United States Environmental Protection.

  7. "Phase-1-Zwischenbericht Nr. 4, Diesel-Partikel-Filter - Final Report." Diesel-Emissions-Schwefel-Effekte (DECSE)-Programm. Januar 2000.

  Über den Autor

  Lawrence G. Ludwig Jr. ist der Leiter des Labors / Technischer Direktor für Schaeffer Manufacturing. Um mehr zu erfahren, besuchen Sie

  www.schaefferoil.com.

   

  Bitte auf diesem Artikel als:

  Ludwig Lawrence, Jr., Schaeffer Industrie, "Heavy-Duty Diesel Engine Oil Entwicklungen und Trends". Maschinen Schmierung Magazin. Mai 2007

  Ausgabe-Nummer: 200705 Maschinen Schmierung Industry Focus