Additivi Lubrificanti - Una Guida Pratica

Costituiscono la base dell'alcalinità di riserva degli oli motore, denominata numero di base (BN).  Sono tipicamente materiali della chimica del calcio e del magnesio.  In passato venivano utilizzati detersivi a base di bario, ma ora vengono utilizzati raramente.

Poiché questi composti metallici lasciano un deposito di cenere quando l'olio viene bruciato, potrebbero causare la formazione di residui indesiderati nelle applicazioni ad alta temperatura.  A causa del problema delle ceneri, molti OEM stanno specificando oli a basso contenuto di ceneri per apparecchiature che funzionano ad alte temperature.  Un additivo detergente viene normalmente utilizzato insieme ad un additivo disperdente.

Disperdenti

Disperdenti are mainly found in engine oil with detergents to help keep engines clean and free of deposits.  The main function of dispersants is to keep particles of diesel engine soot finely dispersed or suspended in the oil (less than 1 micron in size). 

L'obiettivo è mantenere il contaminante in sospensione e non consentirgli di agglomerarsi nell'olio in modo da ridurre al minimo i danni e poter essere portato fuori dal motore durante un cambio dell'olio.  I disperdenti sono generalmente organici e senza ceneri.  Pertanto, non sono facilmente rilevabili con l'analisi convenzionale dell'olio. 

La combinazione di additivi detergenti/disperdenti consente di neutralizzare più composti acidi e di mantenere in sospensione più particelle contaminanti.  Poiché questi additivi svolgono le loro funzioni di neutralizzazione degli acidi e di sospensione dei contaminanti, alla fine supereranno la loro capacità, rendendo necessario un cambio dell'olio.

Agenti antischiuma

Le sostanze chimiche di questo gruppo di additivi possiedono una bassa tensione interfacciale, che indebolisce la parete delle bolle d'olio e consente alle bolle di schiuma di scoppiare più facilmente.  Hanno un effetto indiretto sull'ossidazione riducendo la quantità di contatto aria-olio. 

Alcuni di questi additivi sono materiali siliconici insolubili in olio che non vengono disciolti ma piuttosto dispersi finemente nell'olio lubrificante.  Solitamente sono necessarie concentrazioni molto basse.  Se viene aggiunto troppo additivo antischiuma, questo può avere un effetto inverso e favorire ulteriore formazione di schiuma e intrappolamento di aria.

Modificatori di attrito

I modificatori dell'attrito vengono generalmente utilizzati negli oli motore e nei fluidi per trasmissioni automatiche per alterare l'attrito tra i componenti del motore e della trasmissione.  Nei motori, l’accento è posto sulla riduzione dell’attrito per migliorare il risparmio di carburante. 

Nelle trasmissioni, l'attenzione è posta sul miglioramento dell'innesto dei materiali della frizione.  I modificatori dell'attrito possono essere considerati additivi antiusura per carichi inferiori che non vengono attivati dalle temperature di contatto.

Depressori del punto di scorrimento

Il punto di scorrimento di un olio è approssimativamente la temperatura più bassa alla quale un olio rimane fluido.  I cristalli di cera che si formano negli oli minerali paraffinici cristallizzano (diventano solidi) a basse temperature.  I cristalli solidi formano una rete reticolare che inibisce il flusso dell'olio liquido rimanente. 

Gli additivi di questo gruppo riducono la dimensione dei cristalli di cera nell'olio e la loro interazione tra loro, consentendo all'olio di continuare a fluire a basse temperature.

Demulsionanti

Gli additivi demulsionanti prevengono la formazione di una miscela stabile olio-acqua o di un'emulsione modificando la tensione interfacciale dell'olio in modo che l'acqua coalesce e si separa più facilmente dall'olio.  Questa è una caratteristica importante per i lubrificanti esposti al vapore o all'acqua in modo che l'acqua libera possa depositarsi e essere facilmente drenata in un serbatoio.

Emulsionanti

Emulsionanti are used in oil-water-based metal-working fluids and fire-resistant fluids to help create a stable oil-water emulsion.  The emulsifier additive can be thought of as a glue binding the oil and water together, because normally they would like to separate from each other due to interfacial tension and differences in specific gravity.

Biocidi

Biocidi are often added to water-based lubricants to control the growth of bacteria.

Adesivanti

Adesivanti are stringy materials used in some oils and greases to prevent the lubricant from flinging off the metal surface during rotational movement.

Per essere accettabili sia dai miscelatori che dagli utenti finali, gli additivi devono poter essere maneggiati in apparecchiature di miscelazione convenzionali, stabili allo stoccaggio, privi di odori sgradevoli ed essere non tossici secondo i normali standard industriali. 

Poiché molti sono materiali altamente viscosi, vengono generalmente venduti ai formulatori di oli come soluzioni concentrate in un vettore di olio base.

Un paio di punti chiave sugli additivi:
Più additivo non è sempre migliore.  Il vecchio detto: “Se un po’ di qualcosa è buono, tanto altro è meglio”, non è necessariamente vero quando si utilizzano additivi per olio. 

Man mano che si aggiunge più additivo all'olio, a volte non si ottengono ulteriori benefici e a volte le prestazioni peggiorano effettivamente.  In altri casi, le prestazioni dell’additivo non migliorano, ma migliora la durata del servizio.

Aumentando la percentuale di un determinato additivo è possibile migliorare una proprietà di un olio e allo stesso tempo peggiorarne un'altra.  Quando le concentrazioni specificate di additivi diventano sbilanciate, la qualità complessiva dell'olio può risentirne. 

Alcuni additivi competono tra loro per lo stesso spazio su una superficie metallica.  Se all'olio viene aggiunta un'elevata concentrazione di un agente antiusura, l'inibitore della corrosione potrebbe diventare meno efficace.  Il risultato potrebbe essere un aumento dei problemi legati alla corrosione.

Come si esauriscono gli additivi dell'olio

È molto importante capire che la maggior parte di questi additivi viene consumata ed esaurita da:

1. “decomposizione" o rottura,
2. “assorbimento” su superfici metalliche, particelle e acqua, e
3. “separazione” a causa della decantazione o della filtrazione.

I meccanismi di adsorbimento e separazione comportano il trasferimento di massa o il movimento fisico dell'additivo.

Per molti additivi, quanto più a lungo l'olio rimane in servizio, tanto meno efficace è il pacchetto di additivi rimanente nel proteggere l'apparecchiatura. 

Quando il pacchetto di additivi si indebolisce, la viscosità aumenta, iniziano a formarsi morchie, gli acidi corrosivi iniziano ad attaccare i cuscinetti e le superfici metalliche e/o l'usura inizia ad aumentare.  Se vengono utilizzati oli di bassa qualità, il punto in cui iniziano questi problemi si verificherà molto prima.

È per questi motivi che dovrebbero essere sempre selezionati lubrificanti di alta qualità che soddisfino le specifiche di settore corrette (ad esempio, classificazioni di servizio dei motori API).  La seguente tabella può essere utilizzata come guida per una comprensione più approfondita dei tipi di additivi e delle loro funzioni nelle formulazioni dell'olio motore.

È evidente dalle informazioni di cui sopra che nella maggior parte degli oli utilizzati per lubrificare le apparecchiature sono presenti molti elementi chimici.  Sono miscele complicate di sostanze chimiche che sono in equilibrio tra loro e devono essere rispettate. 

È per questi motivi che si dovrebbe evitare la miscelazione di oli diversi e l'aggiunta di ulteriori additivi lubrificanti. 

Additivi aftermarket e condizionatori d'olio supplementari

Sono disponibili centinaia di additivi chimici e condizionatori lubrificanti supplementari.  In alcune applicazioni o settori specializzati, questi additivi possono avere un ruolo nel miglioramento della lubrificazione. 

Tuttavia, alcuni produttori di lubrificanti supplementari fanno affermazioni sui loro prodotti che sono esagerate e/o non provate, oppure non menzionano un effetto collaterale negativo che l'additivo potrebbe causare. 

Prestare molta attenzione nella scelta e nell'applicazione di questi prodotti o, meglio ancora, evitare di utilizzarli.  Se vuoi un olio migliore, acquista innanzitutto un olio migliore e lascia la chimica alle persone che sanno cosa stanno facendo.  

Spesso le garanzie sull'olio e sulle apparecchiature vengono annullate con l'uso di additivi after-market perché la formulazione finale non è mai stata testata e approvata.  Attenzione acquirente.

Quando si considera l'utilizzo di un additivo after-market per risolvere un problema, è opportuno ricordare le seguenti regole:

Regola numero 1         
Un lubrificante di qualità inferiore non può essere convertito in un prodotto premium semplicemente includendo un additivo.  Acquistare un olio finito di scarsa qualità e tentare di rimediare alle sue scarse qualità lubrificanti con qualche additivo speciale è illogico.

Regola n.2         
Alcuni test di laboratorio possono essere ingannati e fornire un risultato positivo.  Alcuni additivi possono indurre un determinato test a fornire un risultato positivo.  Spesso vengono eseguiti più test di ossidazione e usura per ottenere una migliore indicazione delle prestazioni di un additivo.  Quindi vengono eseguite prove reali sul campo.

REGOLA N.3       
Gli oli base possono dissolvere (trasportare) solo una certa quantità di additivo.  Di conseguenza, l'aggiunta di un additivo supplementare in un olio avente un basso livello di solubilità o già saturo di additivo può semplicemente significare che l'additivo si depositerà dalla soluzione e rimarrà sul fondo del basamento o della coppa.  L'additivo potrebbe non svolgere mai la funzione dichiarata o prevista.

Se si sceglie di utilizzare un additivo after-market, prima di aggiungere qualsiasi additivo supplementare o condizionatore d'olio a un sistema lubrificato, adottare le seguenti precauzioni:

1. Determinare se esiste un problema di lubrificazione reale.  Ad esempio, un problema di contaminazione dell’olio è spesso correlato a una scarsa manutenzione o a un filtraggio inadeguato e non necessariamente a una scarsa lubrificazione o a un olio di scarsa qualità.

2. Scegli il giusto additivo supplementare o condizionatore d'olio.  Ciò significa prendersi il tempo necessario per ricercare la composizione e la compatibilità dei vari prodotti sul mercato.

3. Insistere affinché siano resi disponibili dati concreti di test sul campo che confermano le affermazioni fatte riguardo all’efficacia del prodotto.

4. Consultare un laboratorio di analisi dell'olio affidabile e indipendente.  Far analizzare l'olio esistente almeno due volte prima di aggiungere un additivo supplementare.  Ciò costituirà un punto di riferimento.

5. Dopo l'aggiunta dello speciale additivo o condizionatore, continuare a far analizzare regolarmente l'olio.  Solo attraverso questo metodo di confronto si possono ottenere dati oggettivi sull'efficacia dell'additivo.

C'è molta controversia riguardo all'applicazione di additivi supplementari.  Tuttavia, è vero che alcuni additivi lubrificanti supplementari riducono o eliminano l'attrito in alcune applicazioni come le lavorazioni di macchine utensili, trasmissioni di ingranaggi a pressione estrema e alcune applicazioni di sistemi idraulici ad alta pressione.

Quando viene chiesto un esempio di motore raffreddato ad aria, molte persone citano la Porsche 911 Carrera, nota per il suo motore boxer top di gamma raffreddato ad aria, il cosiddetto motore "Boxer". Conosciute da molti come le "911 raffreddate ad aria", l'iterazione finale del motore Porsche boxer a sei cilindri raffreddato ad aria fu interrotta dopo l'anno modello 1998 a favore di un motore raffreddato ad acqua. È tra le ultime automobili di consumo ad essere prodotte con un motore raffreddato ad aria.1, 2

Al contrario, l’industria aeronautica utilizza un mix di motori raffreddati ad aria e ad acqua, favorendo addirittura l’opzione del raffreddamento ad aria nel caso dei motori a pistoni degli aerei. Questo metodo di raffreddamento preferito dall’industria aeronautica suggerisce il motivo dell’ubiquità dei disperdenti senza ceneri negli oli per motori aeronautici.

All'inizio dell'era dell'aviazione, l'olio di ricino era l'olio preferito per gli oli per aerei a causa del suo buon potere lubrificante. Questi oli furono abbandonati a favore degli oli a base minerale intorno al 1925-1935. All’epoca questi oli non contenevano alcun additivo e rispetto ai motori odierni il consumo di olio era estremamente elevato e richiedevano rabbocchi regolari.

Gli additivi, come i disperdenti senza ceneri, aiutano a ridurre il consumo di olio motore. Ma prima di approfondire l’importanza dei disperdenti senza ceneri negli oli per motori aeronautici, è importante capire cos’è un disperdente senza ceneri. I disperdenti senza ceneri aiutano a prevenire la formazione di depositi metallici nei motori, che possono causare preaccensione e provocare danni catastrofici al motore.3 Un disperdente senza ceneri agisce disperdendo la cenere accumulata dai componenti del motore per prevenire accumuli e usura eccessiva.

L'Aircraft Owners and Pilots Association (AOPA) afferma che "gli oli disperdenti senza ceneri contengono un additivo che aiuta a eliminare i detriti e trasportarli al filtro o allo schermo".4 L'AOPA afferma inoltre che "Questa è una qualità molto importante, data l'usura relativamente elevata dei motori degli aerei e la quantità di acidi di combustione e altri contaminanti che superano gli anelli dei cilindri e le valvole." In effetti, un disperdente senza ceneri funziona circondando i detriti indesiderati per evitare che si depositino e causino usura e altri danni come la preaccensione.5

I motori a pistoni degli aerei si discostano dalla progettazione e dalla costruzione dei moderni motori automobilistici sotto molti aspetti, in particolare nelle loro fasce di potenza. Un motore automobilistico tipicamente ha una linea rossa di circa 6.000-7.000 giri al minuto (rpm) e raramente funziona alla massima potenza per più di pochi secondi alla volta, mentre un motore aeronautico tipicamente emette una potenza di picco a circa 2.700 giri al minuto e funziona a questo livello per la maggior parte del suo funzionamento,6 con il limite più alto che è quello degli aerei della Seconda Guerra Mondiale (Seconda Guerra Mondiale), che raggiungevano il picco a 3.200 giri al minuto. 

Un'altra differenza risiede negli obiettivi generali nella progettazione di questi tipi di motori. Attualmente, l’industria automobilistica è focalizzata sul miglioramento dell’efficienza del carburante riducendo le dimensioni e offrendo comodità sia ai conducenti dei veicoli che ai passeggeri. Al contrario, i motori degli aerei si concentrano sull’affidabilità e sulla semplicità. Un ottimo esempio di ciò è il Lockheed Constellation, un aereo della Seconda Guerra Mondiale che fu nominato “l’aereo a 3 motori più sicuro”, nonostante il suo design a 4 motori, perché i voli all’estero spesso portavano alla morte di un motore lungo il percorso.

Durante la seconda guerra mondiale, i motori raffreddati ad acqua erano prevalentemente modelli V12, mentre i motori raffreddati ad aria erano modelli a stella singola o doppia stella con da sette a nove cilindri per stella. La densità di potenza aumentò rapidamente durante la seconda guerra mondiale; i motori degli aerei avevano una cilindrata di 20-50 litri ed erano spesso turbocompressi, inventati prima in Germania e successivamente sovralimentati dagli Alleati. Il numero di ottani del carburante utilizzato era solitamente di 90 ottani o meno, salendo a 100 ottani e addirittura fino a 150 ottani durante la guerra, in netto contrasto con i 100 ottani di oggi, che è privo di piombo e zolfo.

Questi motori sviluppavano circa 50 CV/litro e potevano essere sovralimentati al 50% con iniezione di acqua-metanolo per un massimo di 90 secondi. Oggi, i motori a benzina delle autovetture prodotti in serie hanno una potenza di 100-150 CV/litro, un miglioramento significativo nella tecnologia dei motori rispetto al secolo scorso. Uno dei problemi che affliggevano entrambe le parti durante la Seconda Guerra Mondiale era l'affidabilità dei motori, anche quando non erano a contatto con il nemico. A causa di una manutenzione insufficiente e carente, di una conoscenza limitata degli additivi e della conseguente accensione prematura, si sono formati fuliggine e depositi che causano gravi problemi. Questa è stata la nascita degli oli motore sintetici e degli additivi funzionali. L'olio base utilizzato dalla Luftwaffe era una miscela di diestere senza ceneri con olio di polietilene 7, miscelato con l'additivo per pressioni estreme/antiusura "Mesulfol II" (un vettore di zolfo). Nel 1944, i caccia P-38, P-47, P-51 e B-25⁸ dell'USAF iniziarono a utilizzare il glicole polipropilenico senza ceneri Bridgestone (Union Carbide). Entrambi gli oli furono ritirati dopo la seconda guerra mondiale, ma i polialchilenglicoli (PAG) hanno ancora alcune proprietà autopulenti e disperdenti.

Il confronto tra il motore di un'auto degli anni '60 e un motore moderno mostra alcuni evidenti cambiamenti e progressi, mentre il confronto tra due motori di aerei mostra che i due motori sembrano molto simili. Le figure 2 e 3 mostrano un confronto tra due motori del 1967 e del 2015.

Il confronto tra motori automobilistici e aeronautici è fondamentale per comprendere perché i disperdenti senza ceneri sono ancora comuni negli oli per motori aeronautici, ma raramente menzionati quando si parla di oli per motori automobilistici. Una ricerca su Google per "disperdente senza ceneri" mostrerà quasi tutti i risultati relativi ai motori e agli oli per motori aeronautici. La tecnologia avanzata delle nuove auto è progettata per mantenere il motore in ottime condizioni il più a lungo possibile per sfruttare al meglio il carburante nel serbatoio, senza contare che le auto elettriche non necessitano di olio motore. Tuttavia, i modelli di motori a pistoni degli aerei più vecchi sono più simili ai motori automobilistici degli anni '60, che si basano su alcuni depositi rimasti nel motore e non sono progettati per funzionare in condizioni "come nuove" per tutta la loro vita utile.

Di conseguenza, i produttori automobilistici tendono a raccomandare SAP medio (cenere solfatata) completamente sintetico <0.80 wt.-%) or low SAP (sulfated ash <0.50 wt.-%) oils with complex additive packages, while aircraft manufacturers generally endorse two more basic oils: straight mineral oil and ashless dispersant mineral oil. SAP stands for sulfur, ash and phosphorus. Straight mineral oils (API Groups I-III) are essentially oils produced from a refinery and are often recommended for the break-in period of new aircraft piston engines.

Secondo Ben Visser, specialista di lubrificazione in pensione presso AeroShell, "In precedenza, la lubrificazione dei cilindri richiedeva un tradizionale trattamento con cromo duro per soddisfare le specifiche e le particelle di usura agivano come un abrasivo."13 Dopo il periodo di rodaggio, le raccomandazioni vengono adeguate per prevenire ulteriori depositi indesiderati. La maggior parte dei produttori di aeromobili consiglia di utilizzare oli dispersi senza ceneri invece di oli minerali semplici dopo il periodo di rodaggio per rimuovere le particelle metalliche e i contaminanti in eccesso.

Nonostante la durabilità di questi oli senza ceneri nei motori a pistoni degli aerei, esiste una potenziale sfida alla durabilità a lungo termine degli oli dispersi senza ceneri: gli aerei elettrici. Nel 2014 Klaus Ohlmann ha stabilito sette record mondiali con la sua e-Genius a due posti. Questi includevano un record di velocità di 142,7 mph (229,7 km / h) e una distanza di volo totale di 313 miglia (504 km). Questi risultati non sono rivoluzionari nel contesto di tutti gli aerei, ma sapere che l’e-Genius realizza queste imprese utilizzando solo un motore elettrico e una batteria come fonte di energia è di per sé un risultato notevole. 14, 15 Ancora più impressionante è che l'e-Genius consuma solo un quinto dell'energia necessaria per percorrere la stessa distanza in un aereo a due posti alimentato a carburante. 15 Questi risultati sono promettenti per il futuro degli aerei elettrici, ma cosa significano per il carburante degli aerei?

L’“e-Genius” dell’Università di Stoccarda in Germania sembra un aliante futuristico, ma esistono altri concetti di aerei elettrici più complessi. Dagli aerei completamente elettrici agli aerei ibridi, l’elettrificazione come visione del futuro è “in voga” nell’aviazione. Eviation ha presentato il suo aereo pendolare da nove passeggeri “Alice” con un'autonomia stimata di 600 miglia. Airbus ha presentato il suo e-fan X, che può trasportare più passeggeri, con uno dei motori sostituito da un motore elettrico da 2 megawatt. 17 velivoli sperimentali X-57 completamente elettrici della NASA sono dotati di grandi motori elettrici alari per la crociera e 12 motori elettrici più piccoli con eliche pieghevoli per il decollo.

Gli aerei a decollo e atterraggio verticale (VTOL) sono un'altra categoria di aerei elettrici. Si concentrano sul traffico aereo regionale e sul collegamento dei centri urbani come “taxi aerei urbani” perché hanno solo bisogno di una pista di atterraggio. Gli esempi includono: CityAirbus, Daimler Velocopter, Boeing NEXT e Lilium jet.

È chiaro che il mondo si sta muovendo verso la tecnologia elettrica. La tecnologia ha già preso piede nel settore automobilistico, con le vendite di Chevrolet Volt, Nissan Leaf, Toyota Prius Prime e della gamma Tesla in crescita anno dopo anno. 19 Anche aerei come l’e-Genius stanno dimostrando il potenziale di questa tecnologia da condividere con l’industria aeronautica, ma ciò non significa che l’avvento degli aerei elettrici significhi la morte dei lubrificanti per motori aeronautici.

Secondo General Aviation News, l’età media di un aereo dell’aviazione generale* è di 50 anni, con un anno medio di produzione nel 1970.20 In confronto, un’auto media di consumo ha appena 12 anni, con un anno medio di produzione del 2008.21 In teoria, ciò significa che una nuova funzionalità o regolamentazione non sarebbe obbligatoria fino al 2032. Ciò rende più difficile cambiare la tecnologia aeronautica, nel bene e nel male. Nel caso degli oli per motori aeronautici, ciò ha ostacolato l’adozione di tecnologie come oli completamente sintetici con complessi pacchetti di additivi negli aeromobili, ma ha anche aiutato i disperdenti senza ceneri a sopravvivere all’attuale interesse globale per i combustibili alternativi e standard di emissioni più severi.

Chiaramente, esiste concorrenza tra aviazione ed elettrificazione. L’obiettivo è raggiungere un trasporto a zero emissioni di CO2 e in questo senso l’aviazione è in vantaggio rispetto all’industria automobilistica. ASTM D7566, la specifica chiave per il carburante per aerei tradizionale, ha attualmente sette allegati che definiscono diversi percorsi per il carburante sostenibile per l'aviazione (SAF), consentendo di produrre fino al 50% di SAF da diverse fonti come risorse e processi di biomassa. Questo può essere un progetto per i motori a combustione interna. BMW ha recentemente annunciato di aver approvato un carburante diesel rinnovabile al 100%, noto come HVO100. HVO100 è una replica chimica del diesel idrocarburico. Porsche promuove lo sviluppo di carburanti sintetici o elettrocarburanti, prodotti da CO2 e idrogeno utilizzando energie rinnovabili. Un’altra opzione è quella di miscelare il carburante con olio da cucina esausto idrogenato al 33% in volume per produrre diesel di petrolio, come ha proposto Volkswagen con l’R33 BlueDiesel.

Mentre la struttura meccanica dei motori aeronautici è rimasta sostanzialmente invariata nell’ultimo mezzo secolo, la struttura meccanica dei motori automobilistici è cambiata in modo significativo. Nonostante questa grande differenza nella storia dello sviluppo, si prevede che la tecnologia elettrica penetrerà in entrambi i settori nei prossimi anni. Sebbene ciò possa portare a una diminuzione della quantità di lubrificanti per motori aeronautici utilizzati, la continua esistenza di velivoli più vecchi con motori a pistoni semplici porterà molto probabilmente alla continua esistenza di lubrificanti per motori aeronautici dispersi senza ceneri. I lubrificanti dispersi senza ceneri potrebbero non vedere molti nuovi sviluppi e miglioramenti nei prossimi anni, ma come gli aerei che servono, probabilmente continueranno ad esistere per molti anni a venire.