Contribution to the Assessment of the Potential of Low Viscosity Engine Oils to Reduce ICE Fuel Consumption and CO2 Emissions

Abstract

[EN] The automotive industry is currently experiencing one of its most rapidly changing periods in recent decades, driven by a growing interest in reducing the negative environmental impacts caused by fossil fuels consumption and the resulting carbon dioxide (CO2) emissions generated during the operation of the internal combustion engine (ICE) which have proven to contribute significantly to Global Warming. Given the fact that a total replacement of the current fleet, dependent of fossil fuels, is unlikely to happen in the immediate future and the urgency to reducing CO2 emissions from transportation in order to tackle Global Warming, it is possible to say that optimizing current ICE technologies and conventional vehicles and engines is a first order priority. Among the technical solutions developed to improve the efficiency of ICE, low viscosity engine oils (LVEO) have emerged as an effective and low-cost method that provides reductions in fuel consumption between 0.5% and 5%. During the development of this thesis, a test plan focused on determining fuel consumption reduction when low viscosity oils are used in light duty vehicles (LDV) and heavy duty vehicles (HDV) were carried out. The test plan has been divided in three parts; the first part was focused on the study of light-duty vehicles (LDV) using one diesel engine representative of the European market. During this part three testing modes were used: comparative motored, fired stationary points and transient homologation cycle tests. All test were performed in the engine test bed. The second part of the study consisted of another comparative test, this time using a different engine oils in a HDV fleet. The study was conducted using the urban buses fleet of the city of Valencia, including 3 buses models , with 2 different powertrain technologies. The third part of the study was focused on the friction coefficient behavior within the engine tribological pairs making comparative tests in two specialized tribometers; one of reciprocating action to simulate the lubrication conditions in the piston ring-cylinder liner contact and a "ball-on-disk" tribometer to simulate the lubrication in the distribution system. The various comparative studies have served to analyze how the friction and fuel consumption responded when LVEO were used both in the ICE and the complete vehicle contexts. The fuel consumption benefit found during the test was used to calculate the carbon footprint reduction when LVEO were used.

[ES] Actualmente la industria de la automoción vive uno de los periodos de cambio más vertiginosos de las últimas décadas, marcado por un creciente interés en reducir los impactos medioambientales negativos generados por el consumo de combustibles fósiles y sus consecuentes emisiones nocivas de dioxido de carbono (CO2) generados durante el funcionamiento del motor de combustión interna alternativo (MCIA). Teniendo en cuenta que el proceso de sustitución de la flota actual por una totalmente independiente de los combustibles fósiles puede tomar varias décadas, y ante la urgencia inmediata de reducir las emisiones de CO2, se puede decir que actualmente es más urgente hacer una optimización de los vehículos con motorizaciones convencionales. Entre las soluciones técnicas que se han desarrollado para mejorar la eficiencia del MCIA destaca la utilización de aceites de baja viscosidad como un método efectivo y de bajo coste de implementación que brinda reducciones del consumo entre el 0.5% y el 5%. Durante el desarrollo de esta tesis se ha llevado a cabo un plan de ensayos enfocado en determinar valores concretos de ahorro de combustible esperados cuando se utilizan aceites de baja viscosidad en vehículos de trabajo ligero y pesado. El plan de estudios se dividió en tres partes; la primera se centró en el estudio de MCIA de vehículos de trabajo ligero, utilizando un motor Diesel representativo del mercado Europeo y llevando a cabo pruebas comparativas en arrastre, puntos de funcionamiento estacionarios y ciclos transitorios de homologación. La segunda parte del estudio consta de otro ensayo comparativo, esta vez utilizando una flota de vehículos de trabajo pesado. El estudio se realizó con la flota de autobuses urbanos de la ciudad de Valencia, incluyéndose 3 modelos de autobuses, con 2 tipos de motorización diferente. La tercera parte del estudio se centró en el comportamiento del coeficiente de friction en los pares tribológicos del motor haciendo ensayos comparativos con tribómetros especializados; uno de movimiento alternativo para simular las condiciones de la interfaz piston-camisa y un "bola y disco" para simular la lubricación en el sistema de distribución, específicamente en la interfaz leva-taqué. Los diversos estudios comparativos han servido para analizar como es la respuesta general de la fricción y el consumo de combustible cuando se usan aceites de baja viscosidad, tanto a nivel de motor como para la totalidad del vehículo, encontrando diferencias de par en los ensayos de arrastre, de consumo específico de combustible en los ensayos de motor en estado estacionario y diferencias totales de consumo de combustible en los ensayos en régimen transitorio y en flota, que a su vez han permitido estimar la reducción esperada en la huella de carbono.

[CA] Actualment la indústria de l'automoció viu un dels períodes de canvi més vertiginoses de les últimes dècades, marcat per un creixent interès en reduir els impactes mediambientals negatius generats pel consum de combustibles fòssils i els seus conseqüents emissions nocives de diòxid de carboni (CO2) generats durant el funcionament del motor de combustió interna alternatiu (MCIA). Tenint en compte que el procés de substitució de la flota actual per una totalment independent dels combustibles fòssils pot prendre diverses dècades, i davant la urgència immediata de reduir les emissions de CO2, es pot dir que actualment és més urgent fer una optimització dels vehicles amb motoritzacions convencionals. Entre les solucions tècniques que s'han desenvolupat per millorar l'eficiència del MCIA destaca la utilització d'olis de baixa viscositat com un mètode efectiu i de baix cost d'implementació que brinda reduccions del consum entre el 0.5% i el 5%. Durant el desenvolupament d'aquesta tesi s'ha dut a terme un pla d'assajos enfocat a determinar valors concrets d'estalvi de combustible esperats quan s'utilitzen olis de baixa viscositat en vehicles de treball lleuger i pesat. El pla d'estudis es va dividir en tres parts; la primera es va centrar en l'estudi de MCIA de vehicles de treball lleuger, utilitzant un motor dièsel representatiu del mercat Europeu i portant a terme proves comparatives en arrossegament, punts de funcionament estacionaris i cicles transitoris d'homologació. la segona part de l'estudi consta d'un altre assaig comparatiu, aquest cop utilitzant una flota de vehicles de treball pesat. L'estudi es va realitzar amb la flota d'autobusos urbans de la ciutat de València, incloent-se 3 models d'autobusos, amb 2 tipus de motorització diferent. La tercera part de l'estudi es va centrar en el comportament del coeficient de friction en els parells tribològics del motor fent assajos comparatius amb tribómetros especialitzats; Un acció reciprocante per simular les condicions del piston camisa i un bola i disc per simular la lubricació en el sistema de distribució. Els diversos estudis comparatius han servit per analitzar com és la resposta general de la fricció i el consum de combustible quan es fan servir olis de baixa viscositat, tant a nivell de motor com la totalitat del vehicle, trobant diferències de bat a els assajos d'arrossegament, de consum específic de combustible en els assajos de motor en estat estacionari i diferències totals de consum de combustible en els assajos en règim transitori i en flota, que al seu torn han permès calcular la reducció en la petjada de carbono.