Formula-Z vs.Additive Formula-Z
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Hydraulik – die Fakten:
Wärmeentwicklung in Reibungszonen beeinflusst das Fließverhalten von Schmiermitteln und somit die Tragkraft des Schmierfilms. Durch die Neustrukturierung von Schmierölen kann man eine Verringerung der Wärmeentwicklung erreichen.
1 Hydrodynamisches Fließverhalten in Reibungszonen Bei der Konstruktion von Maschinen hat das hydrodynamische Fließverhalten des Schmiermittels in den Reibungszonen die größte Bedeutung. Die Anfangsphase der Arbeit von Maschinen beginnt mit der Grenzreibung. Damit sich zwischen den Reibungsflächen eine ausreichend dicke Schmierschicht bilden kann, benötigt man eine Tragkraft die den Druck zwischen den Flächen kompensieren kann.
Eine relative Lastbewegung der Reibungspaare und örtliche Viskosität eines Schmiermittels sowie eine ausreichende Winkelgeschwindigkeit sind Voraussetzung, damit sich diese Tragkraft bilden kann. Die Hydrodynamische Tragkraft ist proportional zu der Reibungsfläche:
P=k*B*C*S/T
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P – Hydrodynamische Tragkraft B – Dynamische Viskosität des Schmieröles S – Reibungsfläche K – Materialkonstante C – Winkelgeschwindigkeit T – relativer Lagerspiel Steigt die Öltemperatur nimmt die Dynamische-Viskosität des Öles proportional ab, die Tragkraft verringert sich und der dynamischer-Reibungsbereich wird kleiner. Die Wärmebilanz (Balance) der Reibungszonen, die die zulässigen Äußeren- und Inneren Temperaturbereiche determinieren (bestimmen), werden gestört, wodurch höhere Reibungs-verluste und Verschleiß verursacht wird.
Spielzunahme durch Verschleiß ab. Um den Verschleiß zu minimalisieren sollte man folgende Probleme lösen:
Abwesenheit der Grenzreibung in der Anlaufzeit der Maschine Verschleiß-Defekte-Ausgleich und ihr Einfluss auf die Hydrodynamische Reibung. Bei hohen Öltemperaturen, Lasten und Geschwindigkeiten soll der Viskositätsbereich stabil bleiben.
2 Formula-Z vs Versprechen der Additivhersteller Additive sind Substanzen die einem Fertigprodukt zusätzliche Eigenschaften verleihen sollen. Sie sind ein vages Ver-sprechen und suggerieren Leistung um die neuen Vorteile eines Produktes hervorzuheben. Auf dem Markt gibt es duzende Produkte die zur Verbes-serung von Schmierölen angewendet werden. Ihre Wirkungs-weise soll auf den Reibungsflächen eine Schicht bilden, die den Verschleiß kompensieren und defekte Stellen bedecken soll. Dafür werden verschiedene Materialien eingesetzt wie:
- feinkörnige Pulver, - Verbindungen von Weichmetallen Bronze, Kadmium, Zinn), - Teflon und Polymerpräparate, - Keramikpulver, - Fluor beinhaltende Substanzen, - Chlorparafine, - Diamantenpulver, - Schicht-Reibungs-Modifikatoren,
(Kupfer,
- Schwefelverbindungen mit Molybdän, Wolfram, Tantal u.a.
Bewegungsrichtung Schmierkeil Lager-
spiel
Druckverteilung im Schmierkeil
Alle diese Präparate haben ihre eignen Mängel und sind nicht universal einsetzbar. Die Schutzschichtbildung ist unstabil, sowohl bei der Schichtdicke als auch der Wärmeleitfähigkeit. Bei erhöhten Temperaturen wird ihre Haftung auf den Reibungsflächen teilweise zerstört, die Schichtdicke wird unterschiedlich und die Wärmebalance unstabil. Zum Beispiel bei Gleitlagern, sind es nur zwei Parameter auf die man Einfluss nehmen kann: - die Dynamische-Viskosität des Öles - und das relative Lagerspiel des Lagers
Belastung Ölfilm
Bild 1: Schmierkeilbildung bei flüssigen Schmierstoffen Durch Verschleiß vergrößert sich das relative Lagerspiel (welches eine bestimmte Toleranz nicht überschreiten sollte) und die Hydrodynamische-Tragkraft nimmt dadurch ab. Dieser Verschleiß führt auch zu kleinen Defekten an den Reibungsflächen, was zusätzlich zu Tragkraftverlusten führt. Die Schmierstoffschicht verringert sich und führt bei niedrigen Belastungen zu einem Übergang von Hydrodynamischer- zu Grenzreibung. Die Hydrodynamische Tragkraft nimmt im Quadrat zu der
Lager
Ölnut Welle
Öleintritt „Druckberg“
Bei einem Temperaturanstieg im Reibungsbereich verringert sich die dynamische Viskosität des Öles um das Dreifache, was zu einer erheblichen Reduzierung der Hydrodynamischen-Tragkraft des Gleitlagers führt. Bei hohen Öltemperaturen bzw. bei stärkeren Belastungen, Geschwindigkeiten und gleichen Temperaturen im Reibungsbereich und einer ausreichende Ölviskosität, wird der Hydrodynamischer-Reibungsbereich wesentlich erweitert, damit werden die Inneren Reibungsverluste und der Verschleiß des Gleitlagers kompensiert.
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- Formula-Z sichert durch die Selbstorganisation einen dauerhaften dynamischen Ausgleichs-Prozess, der zur Bildung von Makromolekularen Strukturen führt.
9 deg
3 Flüssigkristalle in Schmierstoffen Die Supramolekularen Flüssigkristalle haben viele Eigenschaften, bei deren Einführung in strukturierte Flüssigkeiten mit elektrisch-polarisierten dispergierten Materialien konnte man zwei Effekte beobachten: - eine nicht lineare Veränderung der Viskosität - sowie eine anomale Erhöhung der Wärmekapazität des Mediums Diese Beobachtung erlaubte die Vermutung, dass auch bei Schmierstoffen diese Eigenschaften erreicht werden können, vorausgesetzt man findet für diese Fette/Öle eine disperse Struktur mit entsprechenden Parametern. Wenn diese disperse Struktur in allen thermodynamischen Berei-
chen stabil und zerstörungsfrei bleibt, bekommt man einen unendlichen Prozess in dem sich Strukturen bilden, die dynamisch im Gleichgewicht und im ausgeglichen Zustand stabil bleiben. ® Die Firma Formula-Z Research GmbH stellte sich dieser Aufgabe. Durch die Erprobung von verschiedenen polarisierten Nanomaterialien aus festen Teilchen von Nanopulver aus Metalloxyden, sollte in flüssigen Kohlenwasserstoffen (z. B. Ölen) ein hochdisperses System entstehen. In diesen Ölen haben sich durch die Selbstorganisation dreidimensionale Moleküle gebildet, die aus den Nanoteilchen und an ihnen anheftenden Ölmolekülen bestehen. Dabei haben sich Makrostrukturen (Typus kolloidische-aktive Substanzen) gebildet, die durch ihre disperse Struktur einen Oberflächen-Reinigungs-Effekt hatten. Es entstanden nichtlineare Effekte, sowohl bei der Ölviskosität als auch eine Erhöhung der Öl-Wärmekapazität. Des Weiteren war ein Prozess der Regenerierung des Öls zu beobachten, der durch die Bildung von dreidimensionalen Ölmolekülen die beschädigten Ölmolekül-Ketten wieder miteinander verbindet.
500 nm
-53 deg Bild 3: Elektrisch polarisiertes Formula-Z-Pulver Quelle: Radboud Universität Nijmegen
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5 Was bewirkt Formula-Z ®
Formula-Z verleiht den Schmierstoffen, in die es eingeführt wird, neue besondere dauerhaft wirkende Eigenschaften:
- die Reibungsflächen werden gründlich gereinigt, unabhängig von Zustand des Schmierstoffes - verbessert die lokale Viskosität in den Reibungszonen - erhöht die Wärmekapazität des Schmierstoffes - modifiziert die Reibungsoberflächen, die Oberflächenspannung nimmt ab. Der Verschleiß und die elektrochemischer Korrosion verringert sich.
- der Ölverbrauch sinkt bei gleichzeitiger Verlängerung der Laufzeit von Schmierstoffen - reduziert die Abgasschadstoffe in Verbrennungsmotoren
- führt zu Kraftstoff und Schmierstoff Einsparung ®
Der Einsatz von Formula-Z in flüssigen KohlenstoffRaffinaten verändert nicht die chemischen und physikalischen Eigenschaften. Die vom Hersteller zertifizierten Basisdaten bleiben durch die Anwendung unverändert.
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4 Was ist Formula-Z ®
- Formula-Z ist ein universelles nanotechnisches Produkt das durch die Selbstorganisation der Materie in Ölen, Fetten, Pasten zur Entstehung von verschiedensten Makromolekularen Strukturen führt. ®
- Formula-Z hat ein bestimmtes Wirkungsfeld. Es bildet in flüssigen Kohlenwasserstoffen jeglicher Zusammensetzung dreidimensionale Strukturen. ®
- Formula-Z besteht aus festen Komponenten: - SiO2, Al2O3 und plasmabehandelten Graphit. Es verfügt über Eigenschaften, die eine Strukturbildung in flüssigen Kohlenwasserstoffen bewirkt. www.Formula-Z.de · info@Formula-Z.de
Bild 4: Vergrößerung der Öldichte innerhalb der räumlichen Ölstruktur (weitere Bilder: www.Formula-Z.de) Quelle: MESA+ Institute for Nanotechnology
THE FUTURE OF LUBRICANTS ®
New applications by the use of Formula-Z
The generation of heat on frictional surfaces influences the flow characteristics of lubricants and the load capacity of the lubricating film. By restructuring the lubricants, a reduction of the heat generation on frictional surfaces can be achieved.
1 The hydrodynamics of lubricants on frictional surfaces
During the construction of machinery, the hydrodynamics of lubricants has the highest priority. The starting phase of the motion of frictional surfaces starts with boundary friction. In order to form an adequate lubricating layer between the frictional surfaces, a force is needed to compensate the pressure between the two surfaces. In order to form this force, a relative motion between the two frictional surfaces, local viscosity of a lubricant and a satisfactory angular velocity are conditional. This hydrodynamic force is proportional to the frictional surfaces: P=k*B*C*S/T
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P – Hydrodynamic force B – Dynamic viscosity of the lubricant S – Frictional surface
- Absence of the boundary friction in the starting phase. - Wear – defects balancing and its influence on hydrodynamic friction. - At higher oil temperatures, load and speeds, the viscosity of the oil should remain stable.
2 The market of additives Additives are substances which should give additional properties to final products. Mostly these are vague claims and suggest an increase in performance in order to point out the new advantages of the product. On the market there are numerous products which can be added to the engine-oil. Their operation should build a layer on the frictional surfaces which compensates wear and covers the areas which display small defects of these surfaces. In order to do so, various materials are used like:
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K – Material constant C – Angular velocity T – Relative Play
As the temperature rises, the dynamic viscosity of the lubricant decreases proportionally, the loading force decreases as well and the dynamic friction-area becomes smaller
and limited. The heat-balance between the frictionalareas which, on their turn, determine the allowable inner and outer temperature sphere, are disturbed. Higher frictional losses and wear occur.
direction of motion lubricant wedge
play or clearance
-
fine-grain powder, ceramic-powder, substances which contain fluoride, compounds of soft-metals (copper, bronze, cadmium, tin), Teflon and polymer-preparations, chloride-paraffin, diamond-powder, wear-layer modifiers,
- sulphur combinations with molybdenum, wolfram, tantalum,
- etc. All these preparations have their own shortcomings and aren’t general applicable. The build-up of the protection layer is unstable, for both the layer thickness as well as the heat-transfer capabilities. At higher temperatures their connection to the frictional surfaces is partially destroyed, the thickness of layer will vary in size and the heat-balance becomes unstable. E.g. in plain bearings, there are two parameters on which one could have an influence: - the dynamic viscosity of the oil and the relative clearance of the bearing.
pressure allocation (in the wedge)
Picture 1: The formation of a lubricant wedge Due to wear, the relative clearance or play increases (which only has a limited tolerance) and therefore the hydrody-namic force reduces. Consequentially this wear leads to small defects on the frictional surfaces causing additional loss of the hydrodynamic force. The lubricant film becomes smaller and, at lower loads, leads to a transition from hy-drodynamic friction to boundary friction.
In order to reduce wear and tear, following issues should be resolved:
load oil-film bearing
oil groove wave
oil entrance „compensating force“ Picture 2: The load-spread in a plain bearing
9 deg
During a temperature increase at the frictional area, the dynamic viscosity of the oil can reduce by a factor three, which leads to a substantial reduction of the hydrodynamic loading-force of the plain bearing. At high oil temperatures e.g. at high loads, speeds, balanced temperatures in the frictional area and a sufficient oil-viscosity, the hydrodynamic frictional surface increases and reduces the internal frictional losses and wear of the plain bearing.
3 Liquid Crystals in lubricants: 500 nm
Supramolecular liquid crystals have many different properties. Mixed with structured fluids which hold electrical polarized dispersed materials, one could observe two effects: A non-linear change of the viscosity as well as an anomalous increase of the heat transfer capacity of the medium. This observation allowed us to assume that one could reach similar effects with lubricants, provided we could find a dispersed structure with corresponding parameters. When this structure remains stable and non-destructive, one gets an unbounded process in which dynamic balanced structures are built and remain to have a consistent and stable condition.
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The company Formula-Z up this challenge.
-53 deg Picture 3: Electrical polarized nano-powder Source: Radboud University Nijmegen (NL)
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5 What is the effect of Formula-Z ?
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Formula-Z provides the lubricants new special and perma-nent properties:
Research GmbH has taken
By testing several polarized nano-materials made from solids of metal-oxides in fluid hydrocarbon (e.g. oil) a high dispersed system should result. Due to self-organisation, three-dimensional molecules are built in the oil, which consist of nano-parts and oilmole-cules which hold on firmly to the nano-parts. Macro-structures are formed (colloid active substances) which have a cleaning effect on the frictional surfaces. Also non-linear effects were observed at the oil-viscosity as well as the increase of the oil’s heat capacity. Also an oil-regeneration process could be seen, by the building up of three dimensional oil-molecules which have the capability to connect the oil chains to each other again.
- The frictional surfaces are cleaned thoroughly, independent of the actual condition of the lubricant.
- It improves the local viscosity in the frictional areas. - It increases the heat capacity of the lubricant. - It modifies the frictional surfaces, the surface tension and consequentially the wear reduces. - It protects the frictional surface against electrochemical corrosion. - The oil consumption of the engine reduces dramatically and the life-span of the lubricant increases.
- It reduces emissions in combustion engines which leads to fuel-consumption reduction. ®
The application of Formula-Z in fluid hydro carbonates doesn’t alter the chemical and physical properties of the lubricants. The certified specifications of the lubricants
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remain unchanged after the applications of Formula-Z .
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4 What is Formula-Z ?
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- Formula-Z is a universally applicable nano-technical product that by the self-organisation of the substance in oils, greases and pastes leads to the formation of various macro-molecular structures. ® - Formula-Z has a specific operative application. It builds three-dimensional structures in various fluid hydro carbonates, greases and pastes. ® - Formula-Z exists of three solid components: SiO2, Al2O3 and plasma-treated graphite. It holds sufficient properties which cause the build-up of structures in fluid hydro carbonates. ® - By means of the self-organisation, Formula-Z ensures a permanent dynamic balancing process, which leads to the formation of macro-molecular structures.
www. Formula-Z.de · info@Formula-Z.de
Picture 4: the magnification of the oil density within the spatial oil-structure. (more pictures: www.Formula-Z-research.de) Source: MESA+ Institute for Nanotechnology.