Eine kurze Geschichte der Dispergatoren und zukünftige Bedürfnisse

Dispergiermittel halten unlösliche Stoffe und Ruß im Öl suspendiert, sodass sie beim nächsten Ölwechsel entfernt werden können. Sie verhindern die Ansammlung von Abfallstoffen, die zu Ablagerungen rund um den Motor führen und die Betriebseffizienz beeinträchtigen.  

Bei Benzinmotoren kann die Schlammbildung bei niedrigen Drehzahlen, niedrigen Temperaturen und Stop-and-Go-Bedingungen ein Problem darstellen. Im Öl sammeln sich ölunlösliche polare Stoffe und Verunreinigungen an. Wenn sie nicht kontrolliert werden, verursachen sie Schlamm und Lack in kühleren Bereichen des Motors, was zu Betriebsproblemen führt. 

Dispergiermittel kontrollieren den durch Rußbildung verursachten Viskositätsanstieg, vor allem bei HDD-Motoren, aber auch bei einigen Benzinmotoren mit Direkteinspritzung. Der Ruß entsteht beim Verbrennungsprozess und dringt in die Ölmasse ein, wodurch das Öl eindickt. 

Erdgasmotoren können sehr empfindlich auf den Aschegehalt des Schmiermittels reagieren. Sie sind in vielen Ausführungen erhältlich und werden mit den unterschiedlichsten Brennstoffquellen betrieben. Schmierstoffe ohne oder mit sehr geringem Aschegehalt sind auf aschefreie Dispergiermittel angewiesen, um eine maximale Kontrolle unlöslicher Stoffe und Ablagerungen zu gewährleisten. 

Automatikgetriebeflüssigkeiten enthalten normalerweise ein gewisses Maß an Dispergiervermögen. Ricardo Bloch, ein pensionierter Industrie-Chemieingenieur aus den USA, erklärte gegenüber Lubes’n’Greases, dass die Funktion des Dispergiermittels darin bestehe, „die Kupplungen durch die Verteilung der Oxidationsnebenprodukte frei von Ablagerungen zu halten. Wenn die Kupplungen verstopft oder verglast sind, schaltet das Getriebe nicht rechtzeitig. Diese Faktoren unterscheiden diese Dispergiermittel von den Kurbelgehäuse-Dispergiermitteln.“ 

Dispergiermittelchemie

Herkömmliche Dispergiermittel sind organische Materialien, die aus einem öllöslichen Polymerschwanz, normalerweise Polyisobutylen, und einer daran gebundenen polaren Gruppe bestehen. Die polare Gruppe besteht aus einer Brückengruppe, meist Maleinsäureanhydrid, und einer funktionellen Gruppe, die normalerweise auf Stickstoff basiert. 

Der gebräuchlichste herkömmliche Dispergiermitteltyp verwendet PIB als öllösliche Gruppe. Das Molekulargewicht ist eine Schlüsselvariable für die Dispergiereigenschaften. „PIB wird durch Oligomerisierung von Isobutylen hergestellt und ist in verschiedenen Molekulargewichten von einigen Hundert bis zu Zehntausenden erhältlich“, sagte Bloch.

„Die Polymergruppe muss öllöslich sein und die polare Gruppe muss sich an das Abfallmaterial im Öl binden, damit es in der Öllösung verbleibt“, fügte er hinzu. „Wenn die Alkylpolymergruppe zu klein ist, ist das Dispergiermittel nicht in der Lage, das unlösliche Material dispergiert zu halten.“ 

Um PIB in Dispergiermittel umzuwandeln, wird es mit Maleinsäureanhydrid (Brücke) gepfropft, um Polyisobutylenbernsteinsäureanhydrid zu bilden. Die Reaktion mit Maleinsäureanhydrid kann „thermisch“ unter Verwendung von hochreaktivem PIB (HR-PIB) erfolgen oder mit Chlorgas erleichtert werden. Einem PIB-Molekül kann mehr als ein Maleinsäureanhydrid zugesetzt werden, um die Funktionalität pro Molekül zu maximieren.

PIBSA reagiert dann mit einem Amin, um Funktionalität zu ergeben. Die Art und der Stickstoffgehalt des Amins sind eine weitere Variable, und in vielen Dispergiermitteln handelt es sich um ein Polyamin. Andere Modifikationen, wie die Zugabe von Bor, können vorgenommen werden, um die Eigenschaften zu ändern.

In einigen Motorölformulierungen werden dispergierende Viskositätsmodifikatoren verwendet. Sie verwenden kein PIB-Polymer, sondern ein Standardpolymer wie Olefin-Copolymer, das mit Maleinsäureanhydrid reagiert, um funktionsfähig zu werden. Diese haben viel längere Kettenlängen als herkömmliche Dispergiermittel.

Dispergierende Polymethacrylate verwenden ein Alkylmethacrylat-Monomer, um eine öllösliche Polymergruppe zu erzeugen. Die Carbonsäuregruppe im Monomer dient als Brücke zum Hinzufügen der stickstoffhaltigen funktionellen Gruppen. Die Brückengruppe und Funktionalität sind regelmäßig entlang der Polymerkette angebracht.

Die dispergierenden PMA-Eigenschaften können durch die Wahl des Methacrylat-basierten Monomers, des Polymermolekulargewichts sowie der Art und des Stickstoffgehalts der funktionellen Amingruppe variiert werden. Sie kombinieren den Prozess der Verbesserung der Viskositätseigenschaften der Flüssigkeit mit der Kontrolle des Dispergiervermögens. Die PMA-VM-Technologie wird in Getriebeflüssigkeiten eingesetzt, da sie im Vergleich zu anderen VM-Typen sehr gute Fließeigenschaften bei niedrigen Temperaturen aufweist. PMAs können mit dem Rest des Additivpakets zu einem einzigen stabilen Getriebeleistungspaket kombiniert werden.

Eine kurze Geschichte der Dispergiermittel

Dispergiermittel wurden in den 1950er Jahren zusätzlich zu den älteren Technologien von Zinkdialkyldithiophosphaten und Metalldetergenzien für Kurbelgehäuseschmiermittel weit verbreitet eingesetzt. „Bei Kurzstreckenfahrten mit Autos kam es zu Schlammbildung, die durch den Einsatz niedermolekularer PIBSA/PAM-Dispergiermittel verbessert wurde“, sagte Bloch.

Der Einsatz von Dispergiermitteln nahm zwischen 1970 und 2000 zu, insbesondere als Reaktion auf die Einführung des Sequence V-Tests für Pkw-Motoren für Niedertemperaturschlämme und -lacke. Die vorherrschende Dispergiermitteltechnologie basierte auf PIB, das zur Zugabe von Maleinsäureanhydrid chloriert und dann mit Aminen umgesetzt wurde. „Dispergierende PMAs wurden in den 1960er Jahren eingeführt, gefolgt von dispergierenden OCPs in den späten 1970er Jahren.“ sagte Bloch. „Diese Materialien waren gut im Umgang mit Schlamm und Lack bei niedrigen Temperaturen.“

Seit dem Jahr 2000 liegt der Schwerpunkt stärker auf der Rußbehandlung, da Dieselmotoren weltweit einen größeren Marktanteil bei den Pkw-Verkäufen einnehmen und HDD-Motoren höhere Rußbeladungen verursachen. „In den späten 1990er Jahren war Ruß im Diesel eine Folge der Versuche der OEMs, die NOX-Emissionen zu kontrollieren“, sagte Rolfe Hartley von Sangemon Consulting mit Sitz in den USA gegenüber Lubes’n’Greases. „Eine verzögerte Motorsteuerung senkte die Verbrennungsspitzentemperaturen, was zu unvollständiger Verbrennung und Rußbildung führte.“

Er fügte hinzu: „Zur NOX-Reduzierung wurde auch die gekühlte Abgasrückführung (AGR) eingesetzt. Dies führte jedoch dazu, dass stark saures Kondensat in das Öl gelangte, was die Rußeindickung verschlimmerte.“ 

Es wurde eine Dispergiermitteltechnologie mit höherem Molekulargewicht entwickelt, die eine bessere Fähigkeit zur Rußbehandlung zeigte. Die Formulierer haben die Dispergiermittelkomponenten so ausbalanciert, dass sie Schlamm und Lack bei niedrigen Temperaturen sowie den Umgang mit Ruß bei höheren Temperaturen abdecken, was zu höheren Dispergiermittelbehandlungsraten und Dispergiermittelmischungen führt. 

Dispergiermittel werden seit einiger Zeit in Zweitakt-Schiffszylinderölen verwendet, obwohl die Reinigungswirkung in der Vergangenheit eine größere Bedeutung hatte. 

Der Einsatz von Dispergiermittel-VM ging in Motorölen zurück, da sich die Grundölvolatilität durch die Einführung von API-Grundölen der Gruppen II und III sowie durch Verbesserungen bei herkömmlichen Dispergiermitteln verbesserte. Die Motortestprotokolle für Dispergiermittel-VM sind komplex, da der Dispergiergrad der Formulierung je nach VM-Behandlungsrate für jeden Viskositätsgrad variiert. Eine konstante Dispergierfähigkeit erfordert einen festen Gehalt an Dispergiermittel-VM und die Zugabe eines zweiten Nicht-Dispergiermittels VM, um einen Zielviskositätsgrad zu erreichen.

Ein größeres Umweltbewusstsein hinsichtlich des Restchlorgehalts in Schmierstoffen führte zur Einführung von Chlorgrenzwerten in einigen OEM-Schmierstoffspezifikationen. „Automobilhersteller hatten Bedenken, dass chlorierte Verbindungen im Schmiermittel zu Dioxinen in den Abgasen führen könnten“, sagte der in Großbritannien ansässige Berater Trevor Gauntlett gegenüber Lubes’n’Greases. „Dioxine sind sehr stabil; viele sind persistent, bioakkumulierbar und toxisch, darunter auch starke Karzinogene.“ 

Um diese Chlorgrenzwerte einzuhalten, waren Dispergiermittel auf HR-PIB-Basis erforderlich, und sie zeigten auch Vorteile bei der Leistung erstklassiger Motorschmierstoffe. Infolgedessen verzeichnete HR-PIB einen erheblichen Anstieg der Nachfrage und ersetzte chloriertes PIB als Dispergiermittel.  

Zukünftige Dispergieranforderungen

Aktuelle Treiber für neue Kurbelgehäuseschmierstoffe sind die Reduzierung von Emissionen und die Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs. Dispergiermittel haben keinen nennenswerten Einfluss auf Emissionskontrollgeräte wie Abgaskatalysatoren und Partikelfilter und tragen nicht zu den chemischen Beschränkungen von Sulfatasche, Schwefel und Phosphor bei. Daher sind sie vorteilhafte Bestandteile in Formulierungen mit eingeschränkten Emissionen. Der Trend zu Ölen mit niedrigerer Viskosität zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz stellt eine Herausforderung für Dispergiermittel dar, da sie einen wesentlichen Beitrag zur Verdickung der Tieftemperaturviskosität leisten. Forscher wollen die Vorteile der Schlamm-, Lack- und Rußkontrolle beibehalten und gleichzeitig den Polymerbeitrag zur Viskositätsverdickung reduzieren. 

„Angesichts des heutigen hohen Schutzniveaus besteht kein Bedarf für eine stärkere Dispergierfähigkeit bei niedrigen oder hohen Temperaturen für neue nordamerikanische Pkw-Spezifikationen“, sagte Steve Haffner von SGH Consulting mit Sitz in den USA gegenüber Lubes’n’Greases. Der Einsatz von Pkw-Dieselmotoren ist deutlich rückläufig; Diesel machten im Jahr 2021 nur 17 % der Neuwagenverkäufe in der EU aus. 

„Der Rußgehalt im Öl wird durch Abgasnachbehandlungsgeräte deutlich reduziert“, sagte Hartley. „Ein geringerer Rußgehalt im Öl bedeutet, dass keine zusätzliche Rußkontrolle erforderlich ist.“ 

Ein wachsender Schwerpunkt sind Hybridmotoren, die sowohl über einen Verbrennungsmotor als auch über einen Elektromotor verfügen. Eine verkürzte Motorbetriebszeit oder ein Niedertemperaturbetrieb in Hybridfahrzeugen können zu Kondensations- und Schlammbildungsproblemen führen und Möglichkeiten für eine bessere Dispergierkontrolle bieten. 

In Bezug auf HDD sagte Haffner: „Es wird erwartet, dass das heutige Schutzniveau gleich oder besser ist als das, was OEMs in ihren neuen Motoren benötigen, sodass vorhandene Dispergiermittel oder optimiertere Versionen ausreichend sein werden.“ 

Hartley stimmte zu. „NOX-Emissionen werden jetzt durch selektive katalytische Reduktion mit Harnstoff kontrolliert, wodurch die Notwendigkeit einer Verzögerung der Steuerzeiten oder der Verwendung von AGR in den fortschrittlichsten Motorkonstruktionen entfällt“, sagte er. „Diese Motoren produzieren weniger Ruß im Öl und erfordern daher weniger Dispergierfähigkeit.“ 

Hartley fügte hinzu: „Der Hauptgrund dafür, dass die Dispergiermittelbehandlungsraten in HDD weiterhin hoch sind, besteht darin, dass sie mit früheren Motorkonstruktionen abwärtskompatibel sein müssen.“

Die Nachfrage nach HR-PIB wächst weiter, da der Einsatz chlorierter Dispergiermittel deutlich zurückgeht. Gauntlett kommentierte: „Für Hersteller besteht das Problem, dass Chlor selbst ein hochreaktives giftiges Gas ist, das in recht geringen Konzentrationen Haut-, Augen- und Atemwegsreizungen verursachen kann. Da es mit Eisen und einigen Polymeren reagiert, sind spezielle Geräte für Transport, Lagerung und Herstellung erforderlich.“

Dispergiermittel VM für Kurbelgehäuse reduziert die Menge an herkömmlichem Dispergiermittel in der Formulierung, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern. Allerdings erfordern sehr niedrigviskose Typen wenig oder gar kein VM, sodass die erreichbare Dispergierfähigkeit gering ist. Der Widerstand der Kunden gegen dispergierende VMs bleibt bestehen. Produkte sind in der Regel einzigartig, daher ist die Versorgungssicherheit ebenso ein Problem wie der zusätzliche VM-Bestand in Mischfabriken.

Bei Schiffsmotorenölen bedeutet die Umstellung auf Kraftstoffe mit geringerem Schwefelgehalt, die zunehmende Verwendung von Destillatqualitäten und neue Motorkonstruktionen, dass der Einsatz wirksamer Dispergiermittel immer wichtiger wird. Dies muss mit dem anhaltenden Bedarf an Reinigungsmitteln bei der Formulierung neuer Produkte in Einklang gebracht werden.

Auch bei ATFs ist der Kraftstoffverbrauch ein wichtiger Faktor, zusammen mit einer größeren elektrischen und Hardware-Kompatibilität bei E-Getrieben. Die Viskosität wird sehr niedrig, was den Bedarf und den möglichen Einsatz von VM in E-Getrieben einschränkt.  Allerdings können dispergierende PMAs immer noch eine Rolle bei der Gewährleistung eines besseren Oxidationsschutzes spielen, möglicherweise auf Kosten einer höheren elektrischen Leitfähigkeit. Reibungseigenschaften können auch erforderlich sein, wenn das E-Getriebe über Kupplungen oder Synchronisierungen verfügt.  

VICTORY® AVIATION OIL 100AW

Aschefreies, dispergierendes Einbereichs-Motorenöl mit Antiverschleißadditiv für Kolbenmotoren in Flugzeugen

Phillips 66® Victory Aviation Oil 100AW ist ein aschefreies, dispergierendes Einbereichs-Motorenöl, vorgemischt mit der richtigen Konzentration an Anti-Abrieb-/Anti-Verschleiß-Additiv (LW-16702), vorgeschrieben in den Lycoming Service Bulletins 446E und 471B und Service Instruction 1409C. Es wird für den Einsatz in Gegenkolben- und Radialkolben-Flugzeugmotoren empfohlen, bei denen der Verschleiß des Nockenhebers ein Problem darstellt.

Es gibt zwei grundlegende Arten von FAA-zugelassenen Luftfahrtölen, die in Kolbenmotoren von Flugzeugen der allgemeinen Luftfahrt verwendet werden.

1. Reines Mineral

2. Aschefreies Dispergiermittel (AD)

Viele Lycoming-Motoren verwenden reines Mineralöl zum „Einlaufen“ eines neuen, umgebauten oder überholten Motors. Die Bediener sollten dann nach dem „Einlauf“ auf AD-Öl umsteigen. Bei Motoren, die über die normale Einlaufzeit (25 bis 50 Stunden) reines Mineralöl verwenden, sollte ein späterer Wechsel zu AD-Öl mit Vorsicht erfolgen, da gelöste Schlammablagerungen die Ölkanäle verstopfen können. Ölsiebe müssen nach jedem Flug überprüft werden, bis keine Schlammklumpen mehr auftreten.

Zu den Lycoming-Motoren, die mit AD-Öl eingefahren werden sollen, gehören alle Modelle mit Turbolader, der O-320-H und der O/LO-360-E.

Da moderne, von der FAA zugelassene aschefreie Dispergieröle bereits Additive enthalten, die sie reinem Mineralöl überlegen machen, war die Verwendung zusätzlicher Öladditive in Lycoming-Motoren sehr begrenzt. Das einzige von Lycoming zugelassene Additiv ist die Lycoming-Teilenummer LW-16702, ein Öladditiv gegen Abrieb und Verschleiß. Die Richtlinien zur Verwendung dieses Ölzusatzes sind in den neuesten Versionen der Service Bulletins 446 und 471 sowie in der Serviceanweisung 1409 dargelegt. Diese Veröffentlichungen genehmigen die Verwendung von LW-16702 für alle Lycoming-Kolbenmotoren mit Ausnahme derjenigen, die eine Reibungskupplung und ein gemeinsames Motorölsystem für die Getriebe- und Kupplungsbaugruppe verwenden. Bei bestimmten Motormodellen ist die Verwendung von LW-16702 erforderlich. Diese Modelle sind 0-320-H, O-360-E, LO-360-E, TO-360-E, LTO-360-E, TIO und TIGO-541.

Sauberes Motoröl ist für eine lange Motorlebensdauer unerlässlich und der Vollstrom-Ölfilter stellt eine zusätzliche Verbesserung gegenüber älteren Filtermethoden dar. Im Allgemeinen hat die Serviceerfahrung gezeigt, dass der Einsatz von externen Ölfiltern die Zeit zwischen den Ölwechseln verlängern kann, sofern die Filterelemente bei jedem Ölwechsel ausgetauscht werden. Der Betrieb in staubigen Gebieten, in kalten Klimazonen und bei seltenen Flügen mit langen Leerlaufzeiten erfordert jedoch trotz Verwendung des Ölfilters verhältnismäßig häufigere Ölwechsel. Das Öl und das Ölfilterelement sollten regelmäßig alle 50 Betriebsstunden des Motors ausgetauscht werden, und der Filter sollte aufgeschnitten werden, um das im Filter eingeschlossene Material auf Anzeichen interner Motorschäden zu untersuchen. In neuen oder kürzlich überholten Motoren können einige kleine Metallspänepartikel gefunden werden, die jedoch nicht gefährlich sind. Metall, das nach den ersten zwei oder drei Ölwechseln gefunden wird, sollte als Hinweis darauf gewertet werden, dass sich ein ernstes Problem entwickelt, und es sollte eine gründliche Untersuchung durchgeführt werden. Der Ölfilter entfernt keine Verunreinigungen wie Wasser, Säuren oder Bleischlamm aus dem Öl. Diese Verunreinigungen werden durch einen Ölwechsel entfernt.

Der Ölfilter ist noch wichtiger für Motoren mit hoher Verdichtung oder höherer Leistung. Einige Flugzeughersteller hatten gute Erfolge mit den kleinen Vierzylindermotoren mit geringerer Verdichtung, ohne einen Vollstromfilter zu verwenden. Im Allgemeinen können diese Triebwerke auch ihre erwartete Überholungslebensdauer erreichen, solange das Öl regelmäßig gewechselt wird und Betrieb und Wartung gemäß den Empfehlungen des Flugzeugzellen- und Triebwerksherstellers durchgeführt werden.

Die neueste Überarbeitung der Lycoming Service Instruction 1014 enthält Empfehlungen für Schmieröle, Ölwechselintervalle und das Einfahren des Motors. Piloten und Mechaniker sollten wissen, welches Gewicht, welche Art und welche Marke das Öl im zu wartenden Motor verwendet. Bei jedem Ölwechsel sollten diese spezifischen Informationen im Motortagebuch vermerkt werden. Außer als vorübergehende Maßnahme im Notfall sollten verschiedene Öle nicht gemischt werden. Ständiges wahlloses Mischen von Ölen kann zu Problemen mit hohem Ölverbrauch oder verstopften Ölabstreifringen und Ölsieben führen.

Der Ölverbrauch ist ein sehr wichtiger Trend zur Motorgesundheit, den es zu überwachen gilt. Der Bediener und das Wartungspersonal sollten den allgemeinen Verlauf des Ölverbrauchs während der Lebensdauer des Motors kennen. Es ist typisch für einen Motor, dass beim Einsetzen neuer Kolbenringe der Ölverbrauch unregelmäßig oder hoch sein kann; Nach dem Einbau der Ringe, im Allgemeinen innerhalb der ersten 25 bis 50 Stunden, sollte sich der Ölverbrauch jedoch unter den vom Hersteller festgelegten Höchstgrenzen einpendeln. Wenn es später während der Lebensdauer des Motors innerhalb von 25 Stunden zu einem spürbaren Anstieg des Ölverbrauchs kommt, könnte dies ein mögliches Gefahrensignal sein und erfordert eine Untersuchung. Die Ölsiebe und der Filter sollten sorgfältig auf Metallspuren untersucht werden. Das Wartungspersonal sollte mithilfe von Differenzdruckgeräten eine Kompressionsprüfung der Zylinder durchführen und außerdem mit einem Endoskop oder einer Schwanenhalslampe in die Zylinder schauen, um ungewöhnliche Zustände festzustellen.