Verbrennunqskraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Schmiermittel für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung betrifft außerdem eine ein solches Schmiermittel enthaltende Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.

Bei Verbrennungskraftmaschinen müssen die bewegten Kolben im Betrieb ständig geschmiert werden, da sie sehr hohen Reibungsbelastungen ausgesetzt sind. Erfolgt dies nicht in genügendem Ausmaß, kommt es beim Abriss der Schmierung zu einem sehr schnellen Festfressen der Kolben und sogar zur Zerstörung des Motors (sog. Kolbenfresser).

Der Motorwirkungsgrad hängt daher zu einem erheblichen Teil von der Güte der Motorschmierung ab. Es ist somit die Optimierung dieser Schmierung schon seit langer Zeit ein Hauptziel der einschlägigen Forschung, und zwar sowohl im Hinblick auf den Motor der Verbrennungskraftmaschine als auch auf das Schmiermittel selbst. Der augenblickliche Stand der Entwicklung wird durch vollsynthetische Motoröle repräsentiert, die mit einer Vielzahl von Additiven versetzt sind, um deren Eigenschaften in die gewünschte Richtung zu lenken.

Bei der Schmierung von Verbrennungskraftmaschinen wurden daher bisher entweder Schmiermittel auf der Basis von Mineralölen oder in Form von vollsynthetischen Motorölen mit einer Vielzahl von Additiven verwendet. Im Prinzip dürfen aber alle Schmiermittel verwendet werden, welche die an sie gestellten Anforderungen erfüllen.

Schmiermittel, die in Verbrennungskraftmaschinen zur Anwendung gelangen, sollten folgende Eigenschaften erfüllen:

hinsichtlich Viskosität sollte das verwendete Schmiermittel die Viskositätsanforderungen gemäß den SAE-Richtlinien erfüllen, um eine gute Motorschmierung zu gewährleisten.

- Hinsichtlich thermischer Stabilität sollte das verwendete Schmiermittel bei den Betriebsbedingungen im Motor thermisch stabil sein, um die eigenen Eigenschaften zu erhalten und die Schmierung zu gewährleisten.

- Hinsichtlich Korrosion sollte das eingesetzte Schmiermittel nicht zu einer erhöhten Korrosion der berührten Flächen führen, um eine möglichst lange Standzeit des Motors zu ermöglichen und darüber hinaus die Oberfläche der geschmierten Teile zu erhalten.

- Hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften und des Verschleißes sollten der Reibungskoeffizient des verwendeten Schmiermittels und dessen Verschleißwerte möglichst gering sein, da die wichtigste Aufgabe des verwendeten Schmiermittels die Schmierung der bewegten Teile des Motors ist.

- Hinsichtlich der Flüchtigkeit sollte das verwendete Schmiermittel sich auch bei den hohen Temperaturen im Motor nicht verflüchtigen und auch keine gasförmigen Zersetzungsprodukte bilden, da die Aktivität des Abgaskatalysators nicht verringert werden soll.

Es ist zwar schon bekannt (US 2008/0076684 A1), grundsätzlich zur Verringerung der Reibung von sich gegeneinander bewegenden Teilen sog. ionische Flüssigkeiten einzusetzen. Weiterhin ist es auch bekannt (US 2007/0027038 A1), derartige ionische Flüssigkeiten, die aus einem Kation sowie einem Anion gebildet sind, bei

Verbrennungskraftmaschinen anzuwenden. Jedoch erfüllt keine dieser

Anwendungen die vorstehend genannten zahlreichen Voraussetzungen bzw. Bedingungen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein solches Schmiermittel für eine Verbrennungskraftmaschine vorzusehen, welches alle der vorgenannten Anforderungen erfüllt und aufgrund seiner physikalischen sowie chemischen Eigenschaften eine Verbrennungskraftmaschine im Hinblick auf Kraftstoffverbrauch und Reibungswärmeproduktion optimiert.

Diese Aufgabe wird mit der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen enthalten.

Die Erfindung sieht vor, dass das verwendete Schmiermittel für eine Verbrennungskraftmaschine eine ionische Flüssigkeit (IL = lonic Liquid) ist, die als Anion ein Bis(trifluormethylsulfonyl)-imid-Anion (BTA) und/oder ein Trifluorsulfonyl- Anion (Triflat) und/oder ein Tris(pentafluorethyl)trifluorphosphat-Anion (FAP) und/oder ein Dialkylphosphat-Anion enthält, die weiterhin als Kation ein Imidazolium- Kation enthält und der schließlich wenigstens ein Additiv, insbesondere in Form eines Entschäumers, zugesetzt ist.

Selbstverständlich ist es möglich, als Schmiermittel auch ein Gemisch aus einigen oder sämtlichen der vorgenannten ionischen Flüssigkeiten zu verwenden. Die Erfindung umfasst demgemäß auch eine Verbrennungskraftmaschine, die ein Schmiermittel in Form einer oder mehrerer der vorgenannten ionischen Flüssigkeiten enthält.

Schließlich umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine derart, dass die Verbrennungskraftmaschine mit einem Schmiermittel in Form einer oder mehrerer der vorerwähnten ionischen Flüssigkeiten betrieben wird.

Bei den erfindungsgemäß als Schmiermittel vorzusehenden Verbindungen handelt es sich um solche ionischen Flüssigkeiten, welche niederschmelzende, meist organische Salze mit einem Schmelzpunkt unter 100 ⁰ C sind. Die meisten bekannten ionischen Flüssigkeiten liegen bereits bei Raumtemperatur in flüssiger Form vor. Ionische Flüssigkeiten sind im Gegensatz zu herkömmlichen molekularen Flüssigkeiten vollständig ionisch und enthalten keine Anteile an Lösungsmitteln. Aus diesem Grund weisen sie neue, sehr ungewöhnliche physikalische und chemische Eigenschaften auf. Darüber hinaus kann man durch die Variation der Struktur von Anion und Kation sowie durch die Variation von deren Kombinationen die gewünschten Eigenschaften an gegebene technische Anforderungen vergleichsweise sehr gut anpassen.

Ein entscheidender Vorteil ionischer Flüssigkeiten ist ihr extrem geringer Dampfdruck, weshalb sie bis zu ihrer Zersetzungstemperatur selbst im Hochvakuum nicht verdampfen und darüber hinaus unbrennbar sind. Auch weisen viele ionische Flüssigkeiten eine sehr hohe thermische Stabilität mit Zersetzungstemperaturen über 250 ⁰ C auf.

Erfindungsgemäß hat sich gezeigt, dass die erwähnten Arten von ionischen Flüssigkeiten besonders gut für den beabsichtigten Verwendungszweck geeignet sind. Sie zeichnen sich durch hervorragende thermische Belastbarkeit, einen außerordentlich geringen Dampfdruck (Flüchtigkeit), sehr gute Schmiereigenschaften, eine geringe Korosivität sowie eine geeignete Viskosität aus. Die thermische Zersetzungsgrenze liegt bei den erfindungsgemäß verwendeten ionischen Flüssigkeiten deutlich über der von vollsynthetischem Motoröl, d.h. deutlich oberhalb von 250 ⁰ C. Der Dampfdruck der erfindungsgemäß zur Anwendung gelangenden ionischen Flüssigkeiten ist nicht messbar. Der Reibungskoeffizient liegt gleichfalls wesentlich über dem von vollsynthetischem Motoröl. Ebenso verhalten sich die Abtragsraten beim Korrosionstest.

Bezüglich der eingangs erwähnten verschiedenen Eigenschaften, die mit dem erfindungsgemäßen Schmiermittel in Verbrennungskraftmaschinen erfüllt werden, ist noch Folgendes auszuführen:

Hinsichtlich der Viskosität dürfen bei der Schmierung eines Verbrennungskraftmotors im hohen Temperaturbereich bestimmte Viskositäten nicht unterschritten werden. Bei 100 ⁰ C sollte eine Viskosität von größer 5 mPas garantiert sein. Gleichzeitig darf das Schmiermittel bei niedrigen Temperaturen nicht zu hochviskos werden, damit ein ungehinderter Transport zu den Reibungsflächen garantiert ist. Bei - 10 ⁰ C sollte eine Viskosität von 1000 mPas nicht überschritten werden.

Hinsichtlich der thermischen Stabilität ist eine Dauerstabilität von mindestens 150 ⁰ C zu gewährleisten.

Hinsichtlich der Korrosion sollte das Schmiermittel gegen die Metallwerkstoffe Aluminium, Stahl, Grauguss, Magnesium, Titan und Tantal sowie gegen Legierungen hieraus nicht korrosiv wirken. Zusätzlich sollte es mit Kraftstoffen, basierend auf fossilen Energieträgern, und auch mit biologischen Kraftstoffen sowie Wasserstoff verträglich sein. Hierbei bildet die verwendete ionische Flüssigkeit auch nicht zusammen mit Kraftstoff ein Gemisch, das die Funktion stört, z. B. Gelbildung.

Hinsichtlich des Reibungskoeffizienten, der sich nach den DIN-Richtlinien bestimmt, sollte dieser bei dem verwendeten erfindungsgemäßen Schmiermittel unter dem vom synthetischen Hochleistungsmotorölen liegen, der seinerseits bei allen Referenzmessungen über 0,10 liegt.

Hinsichtlich der verwendeten Kationen ist festzustellen, dass sowohl Di- als auch Trialkylimidazolium basierte Kationen verwendet werden können, wobei die Kombination sämtlicher Anionen mit allen Kationen bei der Verwendung als Schmiermittel möglich ist.

Was die erfindungsgemäß vorgesehene Maßnahme anbetrifft, der verwendeten ionischen Flüssigkeit wenigstens ein Additiv zuzusetzen, so kann hierbei, sofern es sich um einen Entschäumer handelt, ein modifiziertes Polysiloxan zu Anwendung gelangen. Dieses modifizierte Polysiloxan kann im Volumenverhältnis 1 : 1000 vorgesehen sein.

Schließlich ist es auch möglich, der verwendeten ionischen Flüssigkeit andere Additive beizumischen, und zwar zur Leistungsverbesserung, beispielsweise als Viskositätsindex- Verbesserer, Detergentien, Dispergentien, Reibwertverbesserer, Extreme-Pressure-Additive, Verschleißschutzadditive, Korrosionsinhibitoren, Oxidationsinhibitoren, Pourpointverbesserer usw.

Erfindungsgemäß ist es schließlich auch möglich, die erfindungsgemäß vorgesehene ionische Flüssigkeit zum Auswaschen von Russparitkeln, insbesondere Dieselruß, anzuwenden. Hierbei ist es weiterhin möglich, mit dem verwendeten ionischen Schmiermittel Kohlendioxid aus dem Motorabgas zu entfernen und gegebenenfalls auch weitere schädliche Gase abzutrennen.

Bei den in diesem Zusammenhang erfindungsgemäß durchgeführten Untersuchungen hat sich gezeigt, dass sich die im Motorabgas enthaltenen Russpartikel nicht mit der ionischen Flüssigkeit verbinden und daher leicht mit Filtern abgetrennt werden können. Zugleich zeigt sich, dass das Einleiten von Motorgasen in die ionische Flüssigkeit einen Einfluss auf deren Viskosität ausübt, und zwar derart, dass die ionische Flüssigkeit mehr Gas löst, wenn Letzteres kalt ist, und weniger Gas löst, wenn dieses warm ist. Dies bedeutet, dass das in die ionische Flüssigkeit eingeleitete Motorabgas einen solchen Einfluss ausübt, dass die Viskositätskurve der ionischen Flüssigkeit flacher wird und damit bei niedrigeren Gastemperaturen eine Effizienzsteigerung bewirkt. Erfindungsgemäß kann daher zusätzlich vorgesehen sein, das Motorabgas zum Waschen teilweise oder ganz durch die ionische Flüssigkeit zu leiten, um die Russpartikel auszufiltern und die Gase in die ionische Flüssigkeit einzutragen. Dieses Waschen kann auch außerhalb des Motorsumpfes erfolgen. In diesem Fall sollte der Waschfilter aber Verbindung zum Motorsumpf haben, so dass kein gesonderter Filter mehr nötig ist.

Die verwendete ionische Flüssigkeit nimmt aufgrund der eingeleiteten Motorgase keinerlei Schaden hinsichtlich ihrer Eigenschaften, d. h. sie reagiert quasi inert.

Die Erfindung beinhaltet damit die zusätzliche Möglichkeit der Einleitung des Abgasstromes in die verwendete ionische Schmierflüssigkeit zum Zweck der Partikelreinigung und Gaseinlösung.

Bei einer versuchsmäßigen Anwendung der Erfindung in einem Einzylinderkolbenverbrennungsmotor haben Messungen ergeben, dass sowohl an der Zylinderwand des Motors als auch in der Schmierflüssigkeit selbst deutlich geringere Temperaturen auftraten. Diese lagen im Vergleich zu aktuell eingesetztem vollsynthetischem Hochleistungsmotoröl um bis zu 20% niedriger. Weiterhin konnte auch der Kraftstoffverbrauch unter Volllast um bis zu 8% gesenkt werden.

Dies wird besonders deutlich anhand der beigefügten Diagramme. Hierbei zeigen:

Fig. 1 jeweils aufgetragen über der Last die erzielten Messergebnisse hinsichtlich der Temperatur im erfindungsgemäßen Schmiermittelmedium (IL) im Vergleich zu bekannten Schmiermitteln, wie SAE 30 usw.;

Fig. 2 im Diagramm die Messergebnisse hinsichtlich der Temperatur am Motorzylinder, Fig. 3 die Messergebnisse hinsichtlich des mit dem erfindungsgemäßen Schmiermittel erzielten verringerten Kraftstoffverbrauchs und

Fig. 4 ein Stabilitätsdiagramm, aufgetragen über der Temperatur, zur Veranschaulichung der thermischen Stabilität verschiedener erfindungsgemäß verwendeter ionischer Flüssigkeiten im Vergleich zu bekannten "klassischen" Motorölen, wie Aral 0W-40 oder Castrol 5W-40.

Wie deutlich aus sämtlichen der Diagramme ersichtlich, werden in jedem Fall aufgrund der Verwendung des erfindungsgemäßen Schmiermittels jeweils die besten Messergebnisse erzielt, wobei es sich bei dem Ausdruck "ILx (additiviert)" um eine solche erfindungsgemäße ionische Flüssigkeit handelt, der als Additiv ein Entschäumer zugesetzt ist, und zwar beim dargestellten Ausführungsbeispiel ein modifiziertes Polysiloxan im Volumenverhältnis 1 : 1000.

Außerdem handelt es sich bei der durch das Kürzel "ILx" angedeuteten ionischen Flüssigkeit um diejenige des Typs [BMIM] [BTA].