Nižší viskozita motorového oleje může snížit třecí ztráty. Jenže motor není jeden jednoduchý třecí kontakt – obsahuje písty, ložiska, ventilový rozvod i olejové čerpadlo, které mohou na změnu viskozity reagovat rozdílně.
Oliver Taylor proto spojil výsledky předchozích částí svého výzkumu do modelu celého vozidla a porovnal, jak by se 5W-30 a velmi nízkoviskózní SAE 8 projevily na dvou jízdních cyklech.
Jak autor převedl jednotlivé testy do modelu celého auta?
Taylor použil program Ricardo V-SIM v prostředí MATLAB a Simulink.
Model simuloval virtuální automobil s přeplňovaným benzínovým motorem o objemu přibližně 1,6 litru, manuální převodovkou a parametry vozidla odvozenými mimo jiné z Fordu Focus.
Do celkového výpočtu byly vloženy modely tření:
- pístů a pístních kroužků,
- ojničních a hlavních ložisek,
- ložisek vačkového hřídele,
- kontaktů vačky a zdvihátka,
- olejového čerpadla.
Model pak vypočítal, kolik dodatečné energie motor potřebuje na překonání těchto ztrát a jak se změna projeví na spotřebě paliva a následně na CO₂.
Důležité: nejde o jeden kompletní motor, který by byl fyzicky testován současně se SAE 8 a 5W-30. Celkový model skládal dohromady data a dílčí modely z několika různých motorů a experimentů.
Jak dopadlo SAE 8 proti 5W-30?
Model předpověděl pokles z přibližně 153,3 na 149,1 g CO₂/km.
Model předpověděl pokles z přibližně 148,0 na 145,1 g CO₂/km.
Pro NEDC měl autor k dispozici i dřívější experimentální výsledek na podobném typu motoru, kde stejné oleje vykázaly přibližně 3,7% rozdíl v CO₂.
Autor proto uvádí, že model mohl skutečný rozdíl mezi oleji mírně podhodnocovat. Výsledek WLTC ale nebyl experimentálně validován.
Které části motoru z řidšího oleje těžily nejvíce?
Ne všechny části motoru přispívaly stejně.
Největším jednotlivým zdrojem snížení tření byla pístní skupina.
Při NEDC model přisoudil pístům a pístním kroužkům přibližně 0,90 % snížení CO₂. Na WLTC to bylo přibližně 0,68 %.
Významný přínos měly také motorové ložiskové systémy.
- hlavní ložiska: přibližně 0,52 % na NEDC,
- ojniční ložiska: přibližně 0,49 %,
- ložiska vačkového hřídele: přibližně 0,08 %.
V těchto modelovaných kontaktech dominovalo za velkou část cyklu hydrodynamické mazání. Nižší viskozita proto znamenala menší odpor při smyku olejového filmu a nižší energetické ztráty.
Byl SAE 8 lepší ve všech částech motoru?
Ne.
Nejvýraznější výjimkou byl přímý kontakt mezi vačkou a zdvihátkem.
Na začátku studeného cyklu mohl SAE 8 tření snižovat, protože byl méně viskózní.
Jakmile se však olej zahřál, jeho film se v tomto silně zatíženém kontaktu stal velmi tenkým. Při nízkých otáčkách proto začalo růst hraniční tření.
Celkový dopad této nevýhody na spotřebu byl ale malý: přibližně 0,004 % CO₂ na NEDC a 0,044 % na WLTC.
Autor také modeloval hypotetickou situaci, kdy by vhodná aditiva hraniční tření v tomto kontaktu odstranila. Potenciální další přínos odhadl asi na 0,43 % na NEDC a 0,47 % na WLTC.
Co olejové čerpadlo?
Do modelu byly vloženy také výsledky předchozího experimentu s variabilním olejovým čerpadlem.
Autor předpokládal několik možných průtoků, protože skutečný průtok nebyl pro celý simulovaný motor znám.
Při stejném průtoku model přisoudil SAE 8 až 1,13% snížení CO₂ na NEDC právě díky nižším ztrátám čerpadla.
Po započtení vyššího průtoku, který řidší olej v reálném systému vyvolává, se přínos snížil například na 0,78 % na NEDC a 0,44 % na WLTC.
To dobře navazuje na předchozí část studie: řidší olej zvýšil průtok, ale vyšší účinnost čerpadla tento efekt v řadě podmínek více než kompenzovala.
Proč byl přínos na WLTC menší než na NEDC?
WLTC je delší a náročnější jízdní cyklus.
V použitém modelu trval:
- NEDC přibližně 1200 sekund a 11 km,
- WLTC přibližně 1800 sekund a 23,3 km.
Motor na WLTC pracoval při vyšším průměrném zatížení a menší část celkové spotřeby paliva připadala na překonávání vnitřního tření motoru.
Navíc delší cyklus znamenal, že se větší část jízdy odehrávala s již zahřátým olejem.
Na NEDC model připisoval tření souvisejícímu s mazivem přibližně 8,7 % CO₂. Na WLTC už jen 6,3 %. Větší podíl energie byl spotřebován například na překonávání jízdních odporů a vyššího zatížení vozidla.
Konkrétní přínos SAE 8 proti 5W-30 se tak mezi NEDC a WLTC snížil přibližně o 31 %.
Co z toho plyne pro motorové oleje v praxi?
Výzkum velmi dobře ukazuje, že účinek nízkoviskózního oleje nelze posuzovat podle jediné součásti motoru.
Řidší olej může:
- snížit hydrodynamické tření v ložiscích,
- snížit ztráty pístní skupiny,
- snížit část ztrát olejového čerpadla,
- ale současně zvýšit hraniční tření v některých vysoce zatížených kontaktech.
Výsledná formulace proto musí hledat kompromis mezi nízkými viskózními ztrátami a dostatečnou tvorbou mazacího filmu.
Právě zde získávají význam také základové oleje, modifikátory tření, protioděrová aditiva a další části kompletní formulace motorového oleje.
SAE 8 je extrémně nízká viskozitní třída. Výsledek této práce rozhodně neznamená, že je vhodné nahradit výrobcem předepsaný 5W-30 nebo 0W-20 olejem SAE 8.
Co tato studie naopak nedokazuje?
- Celkový výsledek pochází z počítačového modelu, nikoliv z jednoho kompletního vozidlového testu SAE 8 proti 5W-30.
- Jednotlivé subsystémy pocházely z různých motorů – například ventilový rozvod Ford ZETEC, ložiska a pístní skupina z 1.6l motoru PSA/BMW a olejové čerpadlo z Fordu 1.0 EcoBoost.
- Autor neměl k dispozici jeden skutečný motor nebo automobil, na kterém by mohl celý model přímo validovat.
- U studených jízdních cyklů se u nástroje V-SIM v jiných aplikacích uváděla typická chyba zhruba 3–5 %.
- Model hlavních a vačkových ložisek předpokládal hydrodynamický provoz a nepočítal hraniční tření.
- Pístní model byl semiempirický a měl známou nepřesnost při nízkých otáčkách.
- Skutečné průtoky olejového čerpadla během NEDC a WLTC nebyly známé a část výsledků byla založena na citlivostní analýze.
- Výsledek neříká, že SAE 8 poskytne 2,8% úsporu v libovolném reálném automobilu.
- Studie neurčuje vhodnou SAE třídu pro konkrétní motor a nenahrazuje předpis výrobce vozidla.
Jaký je hlavní závěr?
Model celého vozidla předpověděl, že velmi nízkoviskózní SAE 8 může proti 5W-30 snížit energetické ztráty motoru a výsledné CO₂.
Rozdíl činil přibližně 2,8 % na NEDC a 1,9 % na WLTC. Největší přínos pocházel z pístní skupiny, ložisek a olejového čerpadla.
Studie ale zároveň ukázala, že nižší viskozita není automaticky výhodná v každém místě motoru. Ve vysoce zatíženém kontaktu vačky a zdvihátka mohl příliš tenký olejový film zvýšit hraniční tření.
Hlavní poučení proto není „čím řidší, tím lepší“, ale že olej, aditiva, povrchy a konstrukce motoru musí být vyvíjeny jako jeden systém.