Cách xác định chất lượng dầu động cơ

Trong khi hầu hết các loại dầu động cơ được sản xuất theo tiêu chuẩn chấp nhận được, chất lượng chung và cụ thể của chúng có thể khác nhau rất nhiều. Dầu động cơ chất lượng kém thường được đưa ra thị trường do sự thiếu hiểu biết hoặc tham lam. Thật không may, đối với chủ sở hữu ô tô không hiểu biết, một loại dầu động cơ chất lượng cao và một trong những chất lượng kém sẽ trông và cảm thấy như vậy.

Kiểm tra động cơ và băng ghế dự bị

Động cơ luôn là nền tảng cuối cùng để xác định chất lượng dầu cần thiết. Ngay cả khi thiết kế động cơ đã thay đổi để đáp ứng hiệu suất, hiệu quả nhiên liệu và tiêu chuẩn môi trường, động cơ vẫn tiếp tục là trọng tài cuối cùng của chất lượng dầu.

Tuy nhiên, sử dụng động cơ để đo chất lượng dầu trong các thử nghiệm lực kế có thể là một đề xuất đắt tiền. Mặc dù vậy, để giúp kiểm soát chi phí bảo hành, việc phát triển và sử dụng các thử nghiệm động cơ là không thể tránh khỏi đối với các nhà sản xuất động cơ khi xác định chất lượng dầu cần thiết cho một thiết kế hoặc thành phần cụ thể.

Mặc dù cần thiết, việc tạo ra các thử nghiệm lực kế lặp lại cho động cơ có thể là một thách thức. Khi thiết kế động cơ đã tăng dần sức mạnh từ các động cơ nhỏ hơn, khó khăn trong việc thiết lập các thử nghiệm lực kế lặp lại thậm chí còn tăng nhanh hơn. May mắn thay, một khi mức chất lượng đã được xác định trên máy đo lực hoặc trong lĩnh vực, có một cách tiếp cận ít tốn kém hơn có thể được áp dụng để đánh giá chính xác hơn chất lượng dầu.

Điều này liên quan đến việc sử dụng các thử nghiệm băng ghế trong phòng thí nghiệm được thiết kế để tương quan chặt chẽ với các thử nghiệm động lực kế động cơ hoặc kinh nghiệm thực địa. Các thử nghiệm băng ghế dự bị này có khả năng cung cấp một thước đo tương đối rẻ tiền về chất lượng dầu. Tuy nhiên, giá trị và tầm quan trọng của loại thử nghiệm này phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm xác định nhu cầu cụ thể của động cơ, thông tin rõ ràng và nhất quán từ động cơ hoặc trong thử nghiệm lực kế hoặc kinh nghiệm thực địa và hiểu biết về mối quan hệ giữa nhu cầu của động cơ và tính chất vật lý và / hoặc hóa học của dầu.

Dầu động cơ

Để phục vụ động cơ, dầu phải có một số tính chất vật lý và hóa học. Trong quá trình phục vụ của dầu, động cơ tạo ra một số ứng suất vận hành ảnh hưởng xấu đến khả năng hoạt động lâu dài của dầu khi hoạt động ở mức cao nhất quán. Điều kiện dịch vụ cũng có thể khác nhau tùy thuộc vào môi trường và cách sử dụng xe. Do đó, việc chọn dầu động cơ để đáp ứng các nhu cầu và điều kiện dịch vụ cụ thể đòi hỏi kiến ​​thức về một số tính chất dầu quan trọng, bao gồm độ nhớt.

Độ nhớt

Độ nhớt có thể được định nghĩa là khả năng chống chảy của chất lỏng. Vì các phân tử của chất lỏng có phần bị thu hút lẫn nhau, nên cần có năng lượng để kéo chúng ra và tạo ra dòng chảy. Nhìn chung, các phân tử lớn hơn có sức hút giữa chúng và độ nhớt cao hơn. Năng lượng cần thiết để vượt qua sự thu hút phân tử này đến phân tử và tạo ra dòng chảy chất lỏng có thể được coi là một dạng ma sát.

Do đó, độ nhớt có thể được định nghĩa là một dạng ma sát phân tử. Trong tất cả các phẩm chất vật lý và hóa học của dầu động cơ, độ nhớt và hành vi nhớt của nó trong quá trình sử dụng thường được coi là quan trọng nhất.

Độ nhớt và chống mài mòn

Chính ma sát phân tử này ngăn không cho dầu thoát ra quá nhanh khi hai bề mặt động cơ trong chuyển động tương đối được đặt sát nhau dưới áp suất. Sự bất lực này của dầu can thiệp để thoát ra nhanh chóng và mức độ không thể nén của nó giữ hai bề mặt tách rời nhau và ngăn ngừa sự mài mòn, một quá trình được gọi là bôi trơn thủy động lực. Độ nhớt càng cao, sức hút của các phân tử dầu càng lớn và khả năng chống mài mòn càng lớn.

Phân loại độ nhớt

Độ nhớt của chất bôi trơn luôn đi kèm với bảo vệ chống mài mòn. Đầu tiên trong lịch sử, SAE đã công nhận độ nhớt là quan trọng đối với chức năng của động cơ và thiết lập hệ thống phân loại J300, thiết lập mức độ nhớt cho động cơ bằng một loạt các cấp. Các cấp này được xác định bởi mức độ nhớt trong một hoặc hai vùng nhiệt độ. Ngày nay, các cấp được đặt cho nhiệt độ vận hành động cơ và nhiệt độ mùa đông mà tại đó dầu ảnh hưởng đến việc khởi động và bơm.

Độ nhớt ở điều kiện hoạt động

Trong những năm đầu tiên của động cơ ô tô, các loại dầu được chế tạo đơn giản và tuân theo phương trình độ nhớt của Newton - lực được sử dụng để tạo ra dòng chảy chất lỏng (ứng suất cắt), tốc độ chảy càng nhanh (tốc độ cắt). Về cơ bản, tỷ lệ ứng suất cắt với tốc độ cắt - độ nhớt - không đổi ở tất cả các tốc độ cắt. Các loại dầu động cơ thời đó về cơ bản đều là loại đơn và không có phân loại SAE, W W.

Mối quan hệ độ nhớt này đã thay đổi vào những năm 1940 khi người ta phát hiện ra rằng việc bổ sung một lượng nhỏ polyme có trọng lượng phân tử cao xuất hiện để mang lại cho dầu các đặc tính dòng chảy mong muốn cho cả hoạt động của động cơ nhiệt độ thấp và khởi động ở nhiệt độ thấp. Theo đó, các loại dầu có chứa polymer này được hệ thống phân loại độ nhớt SAE liệt kê là dầu động cơ nhiều lớp, vì chúng đáp ứng các yêu cầu của cả hai vùng nhiệt độ nhớt.

Kể từ thời điểm đó, các loại dầu nhiều lớp (ví dụ SAE 10W-40, 5W-30, 0W-20, v.v.) đã trở nên rất phổ biến. Tuy nhiên, chúng không còn là đặc điểm dòng chảy của Newton, vì độ nhớt được tìm thấy giảm khi tốc độ cắt tăng. Điều này được coi là quan trọng trong các động cơ bôi trơn hoạt động ở tốc độ cắt cao (được đo bằng hàng triệu giây đối ứng), trái ngược với hàng trăm giây đối ứng của độ nhớt cắt thấp sau đó được sử dụng để mô tả dầu động cơ.

Độ nhớt cắt cao

Do đó, cần phải phát triển một nhớt kế có tốc độ cắt cao để phản ánh độ nhớt trong động cơ dưới nhiệt độ vận hành. Đầu những năm 1980, một dụng cụ và kỹ thuật đã được phát triển có thể đạt tới vài triệu giây đối ứng ở 150 độ C cũng như tạo ra tốc độ cắt cao ở nhiệt độ khác trên cả dầu động cơ tươi và đã qua sử dụng.

Các nhạc cụ được gọi là nhớt kế mô phỏng mang côn. Kỹ thuật này được chấp nhận bởi ASTM như phương pháp thử D4683 để sử dụng ở 150 độ C (và gần đây là D6616 để sử dụng ở 100 độ C). Thử nghiệm quan trọng này về chất lượng dầu động cơ được gọi là độ nhớt cao, tốc độ cắt cao (HTHS). Giới hạn tối thiểu sau đó được áp dụng cho các loại khác nhau trong hệ thống phân loại độ nhớt SAE.

Thật thú vị, sau đó đã cho thấy rằng thiết bị này là duy nhất và về cơ bản là tuyệt đối trong việc cung cấp các biện pháp của cả hai mô men cắt hoặc ứng suất cắt và tốc độ cắt trong khi vận hành. Đây là nhớt kế duy nhất được biết có khả năng làm điều này.

Độ nhớt và gel hóa dầu ở nhiệt độ thấp

Dầu động cơ nhiều lớp ban đầu được giới thiệu để giảm độ nhớt của dầu ở nhiệt độ thấp để hỗ trợ khởi động động cơ. Lợi ích quan trọng này đã rõ ràng ngay lập tức và dầu nhiều lớp đã trở thành dạng dầu nhớt động cơ phổ biến nhất trên toàn thế giới.

Với khả năng khởi động động cơ dễ dàng hơn ở nhiệt độ thấp, một vấn đề khác trở nên rõ ràng - khả năng bơm dầu. Đây là một vấn đề nghiêm trọng hơn đáng kể, vì thiếu khả năng bơm dầu có thể phá hủy động cơ. Trong các thử nghiệm lực kế phòng lạnh, người ta đã xác định rằng có hai dạng của vấn đề về khả năng bơm. Đầu tiên đơn giản là liên quan đến độ nhớt cao và được gọi là hành vi hạn chế dòng chảy.

Thứ hai là ít rõ ràng hơn và liên quan đến việc bơm dầu trong một chu kỳ làm mát sâu và dài. Cái này được dán nhãn ràng buộc không khí, do máy bơm dầu bị ràng buộc không khí do một cột dầu được kéo ra từ hố thu và dầu không lấp đầy khoảng trống này, như trong Hình 1.

Kiến thức và bài kiểm tra này, ban đầu dường như dự đoán cả hai dạng thất bại, là không đủ. Vào mùa đông năm 1979-80 tại Sioux Falls, Nam Dakota, một chu trình làm mát cho thấy sự liên kết không khí có thể xảy ra trong điều kiện làm mát tương đối nhẹ. Trong khoảng thời gian 24 giờ, một số động cơ chứa dầu đã bị hủy hoại.

Chu trình làm mát đã tạo ra một điều kiện trong đó dầu trở nên không khí. Sự cố tốn kém cho thấy sự cần thiết của một bài kiểm tra băng ghế nhạy hơn sẽ dự đoán chính xác xu hướng của sự cố bơm không khí liên kết không khí.

Chỉ số gelation

Dầu động cơ liên kết không khí gây ra sự cố Sioux Falls đã cung cấp một nghiên cứu điển hình. Một công cụ và kỹ thuật thử nghiệm băng ghế mới đã được phát triển để chỉ ra bất kỳ xu hướng nào của dầu thử để gelate. Kỹ thuật này, liên quan đến hoạt động tốc độ thấp liên tục của rôto hình trụ trong stato xung quanh lỏng lẻo, ngay lập tức được tích hợp vào thông số kỹ thuật của dầu động cơ và sau đó trở thành tiêu chuẩn ASTM D5133.

Điều này không chỉ cho thấy xu hướng của dầu bị hạn chế dòng chảy mà còn chỉ định mức độ keo hóa có thể xảy ra trong phạm vi nhiệt độ đo được (thường là âm 5 đến âm 40 độ C). Tham số được gọi là chỉ số gelation. Ngày nay, thông số kỹ thuật dầu động cơ cho dầu nhiều lớp đòi hỏi chỉ số gel hóa tối đa là 12.

Độ nhớt và hấp thụ năng lượng

Có lợi như độ nhớt là cho động cơ trong việc ngăn ngừa mài mòn thông qua bôi trơn thủy động lực, nó cũng có một số khía cạnh tiêu cực có thể ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của động cơ. Ma sát phân tử của dầu, ngăn cách hai bề mặt trong chuyển động tương đối, đòi hỏi năng lượng để vượt qua nó. Đây là một lượng năng lượng đáng kể từ động cơ để đổi lấy sự bảo vệ chống mài mòn được cung cấp. Do đó, việc xây dựng cẩn thận độ nhớt của dầu là rất quan trọng đối với chủ phương tiện và chính phủ bắt buộc giới hạn tiết kiệm nhiên liệu.

Giảm độ nhớt của dầu có thể là một bước quan trọng trong việc giảm ma sát nhớt để cải thiện hiệu quả nhiên liệu. Thật thú vị, trong vài năm qua, đã có sự gia tăng số lượng ô tô hoạt động với dầu động cơ có mức độ nhớt thấp hơn, do đó cải thiện đáng kể hiệu quả động cơ của chúng.

Một thập kỷ trước, các loại độ nhớt SAE thấp nhất là dầu SAE 0W-20 và 5W-20, với SAE 20 mang độ nhớt cắt tối thiểu cao 2,6 centip rùa (cP) để mô phỏng hoạt động của động cơ ở 150 độ C. Hình 2 cho thấy dữ liệu từ dầu động cơ được bán ở Bắc và Nam Mỹ cũng như cho dầu động cơ SAE 5W-30.

Các nhà sản xuất ô tô Nhật Bản gần đây đã kêu gọi các cấp độ nhớt thậm chí thấp hơn. Do đó, SAE đã giới thiệu ba cấp độ hoạt động mới được xác định là SAE 16 (tối thiểu 2,3 ​​cP ở 150 độ C), SAE 12 (tối thiểu 2,0 cP ở 150 độ C) và SAE 8 (tối thiểu 1,7 cP ở 150 độ C). Các yêu cầu lớp này cũng được hiển thị trong Hình 2 để so sánh.

Không ai trong số các loại dầu thấp hơn này vẫn chưa tiếp cận thị trường để phân tích. Do độ nhớt liên quan trực tiếp đến lượng năng lượng mà động cơ sử dụng để bảo vệ hao mòn thông qua bôi trơn thủy động lực, nên việc giảm độ nhớt như vậy sẽ có lợi ích quan trọng trong hiệu quả nhiên liệu nhưng chỉ trong các động cơ được thiết kế để sử dụng.

Chỉ số hiệu quả nhiên liệu phụ thuộc vào độ nhớt

Do ảnh hưởng của độ nhớt của dầu đối với động cơ, một kỹ thuật đã được phát triển để tính toán ảnh hưởng của dầu động cơ đến hiệu quả nhiên liệu. Để có ý nghĩa, các giá trị độ nhớt phải đạt được ở tốc độ cắt cao liên quan đến hoạt động trong các phần cụ thể của động cơ.

Công việc đo lực kế trước đó đã xác định được tỷ lệ phần trăm ma sát và nhiệt độ vận hành của năm vị trí bôi trơn chính trong một động cơ chạy bằng khí pittông chịu trách nhiệm cho gần như toàn bộ tổn thất hiệu quả. Thông tin này được sử dụng để phát triển thông số chỉ số hiệu quả nhiên liệu nhớt (V-FEI).

Với giá trị này, nằm trong khoảng từ 0 đến 100, V-FEI của dầu động cơ nhất định càng cao, năng lượng bị mất cho độ nhớt càng ít và do đó, động cơ càng tiết kiệm nhiên liệu. Mặc dù các thiết kế động cơ khác nhau có thể có mức độ ma sát khác nhau trong các khu vực bôi trơn thiết yếu, sử dụng dữ liệu ma sát này cung cấp một giá trị so sánh cho dầu động cơ.

Hình 3 cho thấy giá trị trung bình của dầu động cơ SAE 0W-20 và 5W-30 từ thị trường Bắc và Nam Mỹ từ 2008 đến 2014. Để so sánh, V-FEI trung bình cho SAE 0W-20 và 5W-30 trong một nghiên cứu trước đó lần lượt là 46 và 47.

Đúng như dự đoán, người ta đã xác định rằng các loại dầu SAE 0W-20 trung bình hàng năm đóng góp nhiều hiệu quả nhiên liệu hơn cho động cơ so với các loại dầu SAE 5W-30 trung bình vì sự khác biệt về độ nhớt như trong Hình 2. Ngoại trừ năm 2012, tăng V-FEI tương đương với gần 7 đến 8 phần trăm trong hiệu suất nhiên liệu phụ thuộc vào độ nhớt.

Sự sụt giảm thể hiện trong hiệu suất nhiên liệu trung bình của dầu động cơ SAE 0W-20 được thu thập trong năm 2012 có thể cho thấy sự phát triển của các công thức đáp ứng mối lo ngại của các nhà sản xuất ô tô rằng lợi ích của bôi trơn thủy động lực sẽ không bị mất trong nỗ lực cải thiện hiệu quả nhiên liệu.

Biến động dầu động cơ

Một khía cạnh khác cần xem xét khi giảm độ nhớt trong các công thức dầu động cơ là việc giảm như vậy thường được thu được bằng cách sử dụng dầu gốc có độ bay hơi cao hơn. Dầu bay hơi làm giảm lượng dầu nhờn phục vụ cho động cơ và có thể mang các thành phần gây ô nhiễm chất xúc tác khí thải, ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng khử khói bụi của chất xúc tác. Dầu còn lại sau khi mất các thành phần dễ bay hơi hơn cũng sẽ nhớt hơn và hấp thụ năng lượng.

Hình 4 cho thấy phản ứng của hai trong số các phân loại dầu động cơ nhiều lớp dễ bay hơi nhất. Cũng hiển thị là độ biến động tối đa được chỉ định do Ủy ban phê duyệt và tiêu chuẩn hóa dầu bôi trơn quốc tế (ILSAC) quy định.

Trong vài năm gần đây, rõ ràng là các loại phân loại SAE 0W-20 và 5W-30 được thiết kế để đáp ứng đặc điểm biến động ILSAC bằng một lề thoải mái. Những kết quả này cho thấy rằng kiểm soát biến động có thể ít đòi hỏi hơn với các loại dầu đa lớp được phân loại gần đây được xác định là SAE 0W-16, 0W-12 và 0W-8.

Phát thải phốt pho và biến động

Các hợp chất phốt pho hòa tan như kẽm dialkyldithiophosphate (ZDDP) đã được sử dụng trong công thức dầu động cơ trong nhiều năm. Các hợp chất chống mài mòn và chống oxy hóa đã cung cấp hỗ trợ đáng kể cho thiết kế của động cơ hiện đại.

Vào giữa những năm 1900, động cơ pittông được xác định là tác nhân chính gây ô nhiễm không khí. Các hydrocacbon chưa cháy hoặc bị đốt cháy một phần từ khí thải động cơ đã được biến đổi bởi ánh sáng mặt trời thành các hydrocacbon khí độc hại, tạo ra khói bụi ở một số thành phố lớn.

Kết quả là, các bộ chuyển đổi xúc tác khí thải đã được phát triển vào những năm 1970 để xử lý khí thải và chuyển nó thành carbon dioxide và nước. Thật không may, trong những năm sau sự phát triển của bộ chuyển đổi xúc tác, người ta đã phát hiện ra rằng một số nguyên tố nhất định trong xăng hoặc dầu động cơ, bao gồm phốt pho và lưu huỳnh, sẽ làm mất tác dụng của chất xúc tác bằng cách phủ nó. Điều này cuối cùng đã dẫn đến những hạn chế về số lượng các hóa chất này trong dầu động cơ và nhiên liệu.

Chỉ số phát thải phốt pho

Thử nghiệm độ biến động Selby-Noack được phát triển vào đầu những năm 1990 như là một cách tiếp cận tốt hơn và an toàn hơn để xác định độ biến động của dầu động cơ. Nó đã thu thập thành phần dễ bay hơi của thử nghiệm độ bay hơi để phân tích sâu hơn, rất hữu ích trong việc phát hiện phốt pho và lưu huỳnh. Trong các phân tích đầu tiên về chất bay hơi được thu thập từ thử nghiệm băng ghế dự bị, rõ ràng là các chất phụ gia phốt pho trong dầu động cơ cũng đang sản xuất phốt pho thông qua phân hủy phụ gia.

Trên cơ sở những phát hiện này, một thông số liên quan đến lượng phốt pho được giải phóng trong quá trình thử nghiệm đã được phát triển được gọi là chỉ số phát thải phốt pho (PEI).

Hình 5 cho thấy sự thay đổi trong PEI trong tám năm qua. Rõ ràng là đã có tiến bộ đáng kể trong việc giảm phân hủy phốt pho và / hoặc biến động của hai phân loại SAE nhiều lớp này. Việc giảm PEI xuống còn 6 đến 10 miligam mỗi lít dầu động cơ là một thay đổi đáng kể trong việc bảo vệ bộ chuyển đổi xúc tác khỏi tác động của phốt pho.

Với xu hướng các động cơ nhỏ hơn, tiết kiệm nhiên liệu và được trang bị động cơ tăng áp tạo ra nhiệt độ cao hơn trong quá trình vận hành, thử nghiệm băng ghế có thể cho thấy xu hướng phát thải phốt pho của công thức dầu sẽ hữu ích trong việc thiết kế chất bôi trơn phù hợp nhất với động cơ và môi trường.

Hàm lượng phốt pho và độ biến động

Mức độ ảnh hưởng của phốt pho trong dầu động cơ đến lượng phốt pho bị bay hơi trong quá trình vận hành động cơ là một câu hỏi quan trọng ảnh hưởng đến việc lựa chọn chất phụ gia trong công thức dầu. Hình 6 cho thấy hàm lượng phốt pho trong một số loại dầu động cơ SAE 0W-20 và 5W-30 so với các giá trị PEI thu được.

Dữ liệu cho thấy độ bay hơi phốt pho được tạo ra bởi thử nghiệm Selby-Noack hầu như không liên quan đến lượng phốt pho có trong dầu dưới dạng phụ gia. Sự thiếu tương quan giữa phốt pho trong dầu động cơ và lượng phốt pho bay hơi là rõ ràng trong các giá trị hệ số tương quan thấp (R²).

Thông số này sẽ gần một giá trị nếu nồng độ phốt pho ảnh hưởng đến độ bay hơi của nó. Như được hiển thị trong Hình 6, các giá trị thu được từ dữ liệu thấp hơn nhiều, với R² ở mức 0,05 cho SAE 0W-20 và 0,17 cho dầu động cơ SAE 5W-30.

Dữ liệu PEI chủ yếu được phân cụm ở các giá trị từ 2 miligam mỗi lít đến khoảng 30 miligam mỗi lít. Tuy nhiên, một số lượng nhỏ giá trị PEI vượt quá 40 miligam mỗi lít. Những loại dầu động cơ này có khả năng gây hại nhiều hơn cho chất xúc tác khí thải. Tuy nhiên, như đã được chỉ ra trong Hình 5, mức PEI đã giảm rõ rệt trong vài năm qua.

Không có câu hỏi, chất lượng dầu động cơ sẽ đóng một vai trò lớn hơn nhiều trong các động cơ tăng áp nhỏ hơn, mạnh hơn đang tham gia vào thị trường ô tô. Tuy nhiên, về cơ bản là không thể thiết lập chất lượng của một loại dầu động cơ.

Xác định này chỉ có thể được thực hiện bằng cách sử dụng dầu hoặc thử nghiệm trước. Rõ ràng, sau này là lựa chọn ưa thích cho các chủ sở hữu ô tô, những người có một khoản đầu tư đáng kể và cần một động cơ hoạt động tốt và bền.