שמנים סינטטיים בטכנולוגיה מתקדמת

שמנים סינטטיים בטכנולוגיה מתקדמת

שמנים מבוססי VHVI

 

מפרטי השמנים למנועי רכב השתנו בשנים האחרונות. על מנת לשפר את החיסכון בדלק ואת התנהגות השמן בטמפרטורות נמוכות, חל מעבר לשמן דליל ומתקדם יותר. נטייה זו בולטת אצל רוב יצרני הרכב, שנאלצים לעמוד בתקינה  המחייבות של הרגולטור . באירופה המעבר לשמן דליל אטי, אך התקנות ומפרטי המוצרים צפויים להתפתח באופן דומה לזה של השוק הצפון-אמריקני. גם השוק באסיה, במיוחד ביפן ובקוריאה, השתנה בכיוון זה, על מנת לעמוד הן בתקנות של ארצות אלו והן בתקנות החלות על מכוניות הנוסעים בארצות שאליהן הן מיוצאות.

השינוי גרם להרחבת השימוש בשמני בסיס איכותיים, כגון PAO ו- VHVI (פולי אלפא-אולפינים  ו שמנים סינטטים בעלי מדד צמיגות גבוה מאוד). שמני מנוע מסוג SAE 5W-30 חייבים לכלול שמן בסיס איכותי בכמות מספקת על מנת לעמוד במפרט הנדיפות המחמיר. לרוב משתמשים רק בכמות ההכרחית של שמן בסיס איכותי, בשל מחירם הגבוה. המפרט המוצע היום ,5 GF- של ILSAC, צפוי להגדיל עוד יותר את הביקוש לשמני בסיס איכותיים.

מאמר זה דן במגמות השוק לגבי שמנים סינטטיים ובתכונותיהם הפיזיקליות ובאחדים מיישומיהם בשמני סיכה איכותיים למנועי רכב.

דרישות חדשות לשמני סיכה

הרגולטורים הינם הכוחות העיקריים המניעים את השינוי בתעשיית הרכב בכלל ובתעשיית שמני הסיכה לרכב בפרט. מטרתם היא לעודד את היצרנים לעמוד בדרישות כגון עמידות מוגברת של מערכת הפליטה, חיסכון רב יותר בדלק, מרווחים ארוכים יותר בין החלפות השמן ושיפורים נוספים בהתנהגות השמן בטמפרטורה נמוכה. החמרת הדרישות לגבי נדיפות ושיפור התכונות בטמפרטורה נמוכה מחייבים אינטגרציה מלאה של הטכנולוגיות של שמן הבסיס והרכבת התערובת.שמני בסיס מינרליים מהסוג המקובל כבר אינם מסוגלים לעמוד בדרישות הקיצוניות של המפרטי יצרני הרכב , במיוחד בדרישות הנדיפות. דרישות אלו יוחמרו עוד יותר עם אישורם של תקנים עתידיים, כגון GF-5 של ILSAC.

מהו שמן בסיס סינטטי?

שמן בסיס סינטטי מוגדר כשמן סיכה פחמימני איכותי המופק בתהליך כימי ובעל מדד צמיגות גבוה לעיתים העולה על 120. מדד אינדקס הצמיגות מציג את העוצמה היחסית של שינוי הצמיגות בהתאם לטמפרטורה. ככל שמדד זה גבוה יותר, מאפייני השמן ישתנו פחות כתגובה לשינויים בטמפרטורה. כאשר צמיגות השמן נשמרת בטווח רחב של טמפרטורות, המנוע מוגן והבלאי שלו פוחת.

בתרשים מספר 1 מוצגת נוסחת שמן בהתאם לטכנולוגיה הייחודית המבוססת הליך יצור כימי. לתהליך זה מדד מרשים מאוד של אינדקס צמיגות, בעוד שלשמני בסיס אינדקס צמיגות נמוך.

בכדי לשפר את אינדקס הצמיגות מסתמכים בעיקר על משפרי צמיגות מבוססי פולימרים אשר גורמים ללכלוך בשמן (בוצה במנוע). יתר על כן, כאשר המנוע פועל פועלים על השמן לחצי גזירה הגורמים לפירוק של משפרי הצמיגות (VII), וכתוצאה מפירוק זה יורדת צמיגות השמן (השפעה מועטה של משפרי הצמיגות). אם כך, ככל שמשפרי הצמיגות מרוכזים יותר כך תגדל יכולתם להזיק לאיכות השמן לאורך זמן.

קיימות גישות שונות להפקת שמנים סינטטיים. בדרך כלל מפיקים אותם על ידי פיצוח מימני של פרקציות תזקיקים בואקום, המתבצע בריאקטור דלק מימני – (תהליך כימי) . שיטה אחרת להפקתם היא הידרו-איזומריזציה – תהליך שבו שעווה שמנונית (slack wax), שהופקה על ידי סילוק שעווה בממס, מומרת לפרפינים מסועפי-שרשרת בתנאי הידרו-איזומריזציה ובנוכחות זרז מתאים. שיעור המרת השעווה בתהליך זה הוא 80% עד 85%, והשעווה השיורית מסולקת בדרך כלל בעזרת ממס כדי לשפר את הנזילות של המוצר המוגמר בטמפרטורה נמוכה. מוצרי הלוואי הם גז, נפט ומזוט. הודות לזמינותם ההולכת וגדלה מהווים שמני VHVI, המופקים בפיצוח מימני, בחירה חסכונית המאפשרת לעמוד בצורכי השוק.

חברת הנפט הגדולות  פיתחו טכנולוגיות  חדשות חלקם מוגנת בפטנט בשם לתהליכי יצור שמני מנוע סינטטיים. הטכנולוגיה מאפשרת למפעילי בתי זיקוק בתהליכי פיצוח מימניים גישה חלופית להפקה של שמני בסיס סינטטיים איכותיים מסוגים שונים של נפט גולמי.

ידוע שבבתי זיקוק אחדים מפיקים שמני בסיס סינטטיים על ידי ניצול השמן הבלתי מומר שמתקבל בריאקטור מימני של דלק, אולם מפעילים אלו סובלים משילוב בלתי חסכוני של פיצוח הדלק ושל תהליך ההפקה של שמן הסיכה. תהליך זה כולל אחסון והובלה של שמני התחתית המכילים שעווה מבית הזיקוק למפעל רגיל של שמני סיכה, צינון וחימום מחדש של זרם החומר מתחתית הריאקטור. תהליך זה נועד לפתור בעיות אינטגרציה וליצור תהליך שינצל ביעילות את הפיצוח המימני תוך שיפור הנזילות הכוללת של הריאקטור יחד עם מפעל שמני הבסיס.

 

תרשים מס’ 1

 

 

האיכות בטכנולוגיה

בטכנולוגיית המתקדמות הללו  ניתן להפיק שלוש דרגות צמיגות בשתי רמות איכות בעלות מדדי צמיגות בתחום של 130-110. תרשים מספר 2 מציגה תכונות עיקריות אחדות של שמני בסיס אלו. שמני הבסיס המופקים בטכנולוגיית זו מצטיינים בתכונות רצויות רבות: מדד צמיגות גבוה, נדיפות נמוכה, תכולה נמוכה של חומרים ארומטיים ושכיחות נמוכה של אטומים של יסודות זרים.

בטכנולוגיית הפקת שמנים סינטטיים  ניתן להפיק תוצר משופר מבחינת ביצועיו העיקריים: אפיוני צמיגות, תכונות בטמפרטורה נמוכה, נדיפות וביצועי חמצון. הרכיבים העיקריים של התוצר המופק בטכנולוגיה זו הם פרפינים, מונו וכן די-נפטנים, המעניקים תלות טובה של צמיגות בטמפרטורה ויציבות מעולה בפני חמצון. יציבות חמצון, או תגובה טובה לנוגדי חמצון, חשובות לביצועים של רוב חומרי הסיכה. תוצאות מבחנים שנערכו על ידי RBOT ועל ידי PCT מוכיחות שהיציבות מפני חמצון של תוצר בטכנולוגיית  הפקת שמנים סינטטיים עולה בהרבה על זו של שמני בסיס מינרליים מקובלים.

תוצרי טכנולוגיית זו מכילים חומרים ברמת רווייה גבוהה הרבה יותר ומכילים פחות גופרית – תכונות המועילות ליציבות בפני חמצון והתורמות לתגובה טובה לנוגדי חמצון, בהתאמה. התפלגות הפחמימנים הצרה של תוצרי טכנולוגיית זו מוליכה לנדיפות נמוכה ביותר, בדומה לזו של שמני PAO.

 

תרשים מס’ 2

 

יישום תוצרים של טכנולוגיית סינטטיים

שמן מנוע לרכב נוסעים

אחד מיתרונותיהם של שמני בסיס סינטטי הוא יחס הביצועים לעלות. הרכבים של שמני מנוע אירופים מסוג SAE 5W/30 זקוקים לתוספת מסוימת של שמן בסיס איכותי, PAO או שמן בסיס סינטטי, על מנת לעמוד במפרט הנדיפות המחמיר. בדרך כלל משתדלים להשתמש בכמות מזערית של שמן בסיס איכותי בשביל לחסוך בעלות. על מנת להפחית את עלות ההרכב של שמן מנוע מסוג SAE 10W/40, אפשר להשתמש בדרך כלל במקום ב-PAO בשמן בסיס VHVI שנבחר בזהירות ושאינו כה יקר.

כדי להרכיב שמן מנוע SAE 10W/40 בדרגות A3/B3 לפי ACEA, יש להוסיף למוצר המוגמר כ-15% לפי המשקל של PAO-6.

במהלך מחקר שנערך לאחרונה הצליחה אחת מחברות הנפט  להחליף את 15 האחוזים של PAO ב-18 אחוזים לפי המשקל בשמן בסיס סינטטי  שהופק בטכנולוגיית הנקראת VHVI.

הנחיות להחלפת שמן הבסיס לגבי שמני מנוע לפי ACEA מתירות להחליף עד 30% לפי המשקל של שמן בסיס API מקבוצה (PAO) IV בשמן מקבוצה III, תוך ביצוע מבחן מנוע נוסף אחד בלבד.

 

שמן מנוע דיזל לפעולה מאומצת

לשמנים של מנוע דיזל מסוג SAE 10W/40 יתרונות רבים על פני שמני SAE 15W/40. אחד החשובים בהם הוא הפחתת בלאי לאחר התנעת המנוע, וזאת הודות לקיצור זמן ההגעה של השמן ליעדו בטמפרטורה נמוכה. למרות זאת, יצרני מנועים נמנעים עדיין משימוש בשמנים קלים יותר למטרה זו משום שהם גורמים לעתים לתצרוכת שמן מוגברת ולבלאי רב יותר של המסבים יחסית לשמני SAE 15W/40.

ניתן  למנוע זאת על ידי שימוש בשמני בסיס מסוג VHVI. נערכה השוואה בין שני סוגי שמן למנועי דיזל מטיפוס CG-4 לפי API: שמן SAE 15W/40 שהכיל שמן בסיס מינרלי מקובל (רכיבים ניטרליים בממס 150 ו-500) לעומת שמן SAE 10W/40 שהכיל שמן בסיס VHVI שהופק בטכנולוגיית זו.

מנועי דיזל מודרניים מחייבים להשתמש גם בחומרי סיכה בעלי כושר עמידות מעולה בפני פיח. במבחני המנוע T-8 של מאק וכן 6.2L של ג’נרל מוטורס הוערכו, בהתאמה, העלייה בצמיגות עקב הצטברות פיח וכן הבלאי הנגרם על ידי פיח. כאשר עומס הפיח גדל, גדלה גם הצמיגות והמסנן נסתם והלך, במידה רבה הרבה יותר בשימוש בשמן מינרלי מקובל מאשר בשמן מבוסס VHVI. במבחן המנוע GM 6.2L נמצאה אותה רמת בלאי בשני סוגי השמן. לגבי שמן SAE 10W/40 מבוסס VHVI, נמצאו גם כושר התנעה וכושר שאיבה מעולים בטמפרטורה נמוכה בהשוואה לשמן המקובל על בסיס מינרלי 15W/40, כפי שמראה ערך צמיגות CCS (סימולטור התנעה קרה).

 

לסיכום,

החמרת הדרישות הרגולטוריות להפחתת פליטה ולחיסכון באנרגיה, וכן העלייה בזמינות של שמני בסיס מסוג VHVI, הם הגורמים המשפיעים העיקריים על הביקוש לסוגי שמן אלו. לפיכך צפויה עלייה בנתח השוק של שמני סיכה מבוססי VHVI, במיוחד ליישומים בכלי רכב.

לפי מפרט GF-1 של ILSAC, גבול הנדיפות המותרת היה 25% לכל היותר, ולפי מפרט GF-2 גבול זה היה 22% לכל היותר.

בהצעת המפרט האחרונה של GF-3 ,ILSAC, הוגבלה הנדיפות של מוצרי 5W/10W-XX לשיעור של 15% לכל היותר, שהוא כמעט הגבול שנקבע במפרט ACEA האירופי. שינויים אלו יוסיפו להקשות על הרכבת שמן המבוסס על שמן מינרלי מקובל. מתכנני השמנים ייאלצו להשתמש לפחות בשמני API איכותיים מקבוצה II או מקבוצה III כדי לעמוד במפרט הנדיפות המחמיר GF-4 של ILSAC.

 

** אילן בר, מהנדס – מנכ”ל ומייסד סטארטר ישראל

הוסף תגובה חדשה