نحوه تعیین کیفیت روغن موتور

در حالی که اکثر روغن های موتور با استانداردهای قابل قبول ساخته می شوند، کیفیت عمومی و خاص آنها می تواند بسیار متفاوت باشد. روغن موتورهای بی کیفیت اغلب به دلیل ناآگاهی یا طمع به بازار عرضه می شوند. متأسفانه، برای صاحب خودرو ناآگاه، یک روغن موتور باکیفیت و یک روغن بی کیفیت ظاهر و احساس یکسانی خواهد داشت.

تست موتور و نیمکت

موتور همیشه بستر نهایی برای تشخیص کیفیت مورد نیاز روغن آن بوده است. با وجود اینکه طراحی موتور برای مطابقت با عملکرد، بهره وری سوخت و استانداردهای زیست محیطی تغییر کرده است، موتور همچنان داور نهایی کیفیت روغن است.

با این حال، استفاده از موتور برای اندازه گیری کیفیت روغن در آزمایش دینامومتر می تواند پیشنهاد گران قیمتی باشد. با این حال، برای کمک به کنترل هزینه‌های گارانتی، توسعه و استفاده از تست‌های موتور برای تولیدکنندگان موتور هنگام تعیین کیفیت روغن مورد نیاز برای یک طرح یا قطعه خاص اجتناب‌ناپذیر است.

اگرچه ضروری است، اما انجام آزمایش‌های دینامومتر قابل تکرار برای یک موتور می‌تواند چالش برانگیز باشد. همانطور که طراحی موتور به تدریج قدرت موتورهای کوچکتر را افزایش داده است، دشواری ایجاد آزمایشات دینامومتر تکرارشونده با سرعت بیشتری افزایش یافته است. خوشبختانه، هنگامی که سطح کیفی روی دینامومتر یا در میدان مشخص شد، رویکرد بسیار کم‌هزینه‌تری وجود دارد که می‌توان برای ارزیابی دقیق‌تر کیفیت روغن استفاده کرد.

این شامل استفاده از آزمایش‌های روی میز آزمایشگاهی است که برای ارتباط نزدیک با آزمایش‌های دینامومتر موتور یا تجربه میدانی طراحی شده‌اند. این تست های رومیزی قابلیت ارائه یک معیار نسبتاً ارزان قیمت از کیفیت روغن را دارند. با این حال، ارزش و اهمیت این نوع آزمایش به عوامل متعددی بستگی دارد، از جمله شناسایی نیازهای خاص موتور، اطلاعات واضح و ثابت از موتور چه در آزمایش‌های دینامومتر یا تجربه میدانی، و درک رابطه بین نیازهای موتور و خواص فیزیکی و/یا شیمیایی روغن.

دلایل خرید روغن موتور برای خودرو

برای کارکرد موتور، روغن باید دارای خواص فیزیکی و شیمیایی خاصی باشد. در طول کارکرد روغن، موتور تعدادی تنش های عملیاتی ایجاد می کند که بر توانایی طولانی مدت روغن برای عملکرد مداوم در سطح بالایی تأثیر منفی می گذارد. شرایط سرویس نیز ممکن است بسته به محیط و نحوه استفاده از وسیله نقلیه بسیار متفاوت باشد. در نتیجه، انتخاب روغن موتور برای برآوردن نیازها و شرایط خدماتی خاص، مستلزم آگاهی از چندین ویژگی مهم روغن، از جمله ویسکوزیته است.

ویسکوزیته روغن موتور خودرو

ویسکوزیته ممکن است به عنوان مقاومت سیال در برابر جریان تعریف شود. از آنجایی که مولکول های سیال تا حدی به یکدیگر جذب می شوند، برای جدا کردن آنها و ایجاد جریان به انرژی نیاز است. به طور کلی، مولکول های بزرگتر جاذبه بیشتری بین خود دارند و ویسکوزیته بالاتری دارند. انرژی مورد نیاز برای غلبه بر این جاذبه مولکول به مولکول و تولید جریان سیال را می توان نوعی اصطکاک در نظر گرفت.

بنابراین، ویسکوزیته را می توان به عنوان شکلی از اصطکاک مولکولی تعریف کرد. از بین تمام خصوصیات فیزیکی و شیمیایی روغن موتور، ویسکوزیته و رفتار ویسکومتری آن در هنگام استفاده اغلب مهمترین آنها در نظر گرفته می شود.

ویسکوزیته و جلوگیری از سایش

همین اصطکاک مولکولی از خروج سریع روغن زمانی که دو سطح موتور در حرکت نسبی تحت فشار به هم نزدیک می شوند، جلوگیری می کند. این ناتوانی روغن مداخله گر در فرار سریع و سطح تراکم ناپذیری آن، دو سطح را از هم جدا می کند و از سایش جلوگیری می کند، فرآیندی که به آن روانکاری هیدرودینامیکی می گویند. هر چه ویسکوزیته بیشتر باشد، جذب مولکول های روغن بیشتر و محافظت در برابر سایش بیشتر می شود.

طبقه بندی ویسکوزیته

ویسکوزیته بهترین روغن موتور خودرو همیشه با محافظت در برابر سایش همراه بوده است. SAE در اوایل تاریخ خود ویسکوزیته را برای عملکرد موتور مهم تشخیص داد و سیستم طبقه بندی J300 را ایجاد کرد که سطوح ویسکوزیته را برای موتورها بر اساس یک سری درجه ها تعیین می کند. این گریدها با سطوح ویسکوزیته در یک یا دو ناحیه دمایی تعریف می شوند. امروزه این درجه ها برای دمای کارکرد موتور و دمای زمستانی که روغن روی راه اندازی و پمپاژ آن تأثیر می گذارد، تنظیم می شود.

ویسکوزیته در شرایط عملیاتی

در سال های اولیه موتورهای خودرو، روغن ها به سادگی فرموله می شدند و از معادله نیوتن برای ویسکوزیته پیروی می کردند - هر چه نیروی بیشتری برای ایجاد جریان سیال (تنش برشی) استفاده شود، سریعتر جریان می یابد (نرخ برش). اساساً، نسبت تنش برشی به نرخ برشی - ویسکوزیته - در تمام نرخ های برشی ثابت باقی ماند. روغن موتورهای آن زمان همه اساساً درجه یک بودند و طبقه بندی SAE "W" نداشتند.

این رابطه ویسکومتری در دهه 1940 تغییر کرد، زمانی که کشف شد که افزودن مقادیر کمی از پلیمرهای با وزن مولکولی بالا به نظر می‌رسد که به روغن ویژگی‌های جریان مورد نظر را برای راه‌اندازی در دمای پایین و عملکرد موتور در دمای بالا می‌دهد. بر این اساس، این روغن های حاوی پلیمر توسط کلاس ویسکوزیته SAE فهرست شده اند

سیستم سیفیکاسیون به عنوان روغن موتور چند درجه ای، زیرا آنها الزامات هر دو منطقه دمای ویسکوزیته را برآورده می کنند.

از آن زمان، روغن های چند درجه (به عنوان مثال، SAE 10W-40، 5W-30، 0W-20، و غیره) بسیار محبوب شده اند. با این حال، آنها دیگر از نظر ویژگی های جریان نیوتنی نبودند، زیرا مشخص شد که ویسکوزیته با افزایش نرخ برش کاهش می یابد. این مهم در موتورهای روانکاری که با نرخ برش بالا کار می‌کنند (که در میلیون‌ها ثانیه متقابل اندازه‌گیری می‌شود) مهم تلقی می‌شود، برخلاف چند صد ثانیه متقابل ویسکومترهای کم برش که سپس برای مشخص کردن روغن‌های موتور استفاده می‌شوند.

ویسکومتری با نرخ برشی بالا

در نتیجه، نیاز به توسعه یک ویسکومتر با نرخ برش بالا برای منعکس کردن ویسکوزیته در موتورها در دمای کار بوجود آمد. در اوایل دهه 1980، ابزار و تکنیکی توسعه یافت که می‌توانست به چندین میلیون ثانیه متقابل در دمای 150 درجه سانتیگراد برسد و همچنین نرخ برش بالایی را در دماهای دیگر روی روغن‌های موتور تازه و کارکرده اعمال کند.

این ابزار ویسکومتر شبیه ساز بلبرینگ مخروطی نام داشت. این تکنیک توسط ASTM به عنوان روش تست D4683 برای استفاده در دمای 150 درجه سانتیگراد (و اخیراً به عنوان D6616 برای استفاده در 100 درجه سانتیگراد) پذیرفته شد. این تست بحرانی کیفیت روغن موتور به عنوان ویسکوزیته دمای بالا، نرخ برش بالا (HTHS) شناخته شد. سپس حداقل محدودیت ها برای درجه های مختلف در سیستم طبقه بندی ویسکوزیته SAE اعمال شد.

جالب اینجاست که بعداً نشان داده شد که این ابزار در ارائه معیارهای گشتاور برشی یا تنش برشی و نرخ برشی در حین کار منحصر به فرد و اساساً مطلق است. این تنها ویسکومتر شناخته شده ای است که قادر به انجام این کار است.

ویسکوزیته و ژل شدن روغن در دماهای پایین

روغن های موتور چند درجه در ابتدا برای کاهش ویسکوزیته روغن در دماهای پایین برای کمک به راه اندازی موتور معرفی شدند. این مزیت مهم بلافاصله آشکار شد و روغن های چند درجه ای از آن زمان به محبوب ترین نوع روان کننده موتور در سراسر جهان تبدیل شده اند.

با راه اندازی آسان تر موتور در دماهای پایین، مشکل دیگری آشکار شد - قابلیت پمپاژ روغن. این موضوع بسیار جدی‌تر بود، زیرا عدم پمپ‌پذیری روغن می‌تواند موتور را از بین ببرد. در آزمایش دینامومتر اتاق سرد، مشخص شد که مشکل پمپ پذیری به دو صورت وجود دارد. اولین مورد به سادگی مربوط به ویسکوزیته بالا بود و رفتار محدود با جریان نامیده می شد.

دومی کمتر آشکار بود و شامل ژل شدن روغن تحت یک چرخه خنک کننده طولانی و عمیق بود. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، این برچسب "هوا اتصال" بود، زیرا پمپ روغن در نتیجه بیرون کشیده شدن ستونی از روغن از کاروان و پر نکردن این فضای خالی، به هوا متصل شد.

این دانش و آزمون نیمکت، که در ابتدا به نظر می رسید هر دو شکل شکست را پیش بینی می کرد، کافی نبود. در زمستان 1979-1980 در Sioux Falls، داکوتای جنوبی، یک چرخه خنک کننده نشان داد که اتصال هوا می تواند تحت شرایط خنک کننده نسبتا ملایم رخ دهد. در مدت 24 ساعت، تعدادی از موتورهای حاوی روغن خراب شدند.

چرخه خنک کننده شرایطی را ایجاد کرده بود که در آن روغن به هوا محدود می شد. این حادثه پرهزینه نیاز به یک تست رومیزی حساس‌تر را نشان داد که به طور دقیق تمایل به خرابی پمپ‌پذیری اتصال هوا را پیش‌بینی می‌کرد.

شاخص ژل ​​شدن

روغن موتور با اتصال هوا که باعث خرابی Sioux Falls شد، یک مطالعه موردی محکم ارائه کرد. ابزار و تکنیک تست رومیزی جدید برای نشان دادن هر گونه تمایل روغن آزمایش به ژلاته شدن توسعه داده شد. این تکنیک که شامل کارکرد مداوم با سرعت کم یک روتور استوانه‌ای در یک استاتور شل در اطراف بود، بلافاصله در مشخصات روغن موتور گنجانده شد و بعداً به ASTM D5133 تبدیل شد.

این نه تنها تمایل روغن به محدود شدن جریان را نشان می‌دهد، بلکه درجه ژل شدنی که ممکن است در محدوده دمایی اندازه‌گیری‌شده (معمولاً منفی ۵ تا منفی ۴۰ درجه سانتی‌گراد) رخ دهد را نیز مشخص می‌کند. این پارامتر شاخص ژل ​​شدن نامیده شد. امروزه مشخصات روغن موتور برای روغن های چند درجه ای به حداکثر شاخص ژل ​​شدن 12 نیاز دارد.

ویسکوزیته و جذب انرژی

همانطور که ویسکوزیته برای موتور در جلوگیری از سایش از طریق روانکاری هیدرودینامیکی مفید است، دارای جنبه‌های منفی است که می‌تواند بر راندمان کارکرد موتور تأثیر بگذارد. اصطکاک مولکولی روغن که دو سطح را در حرکت نسبی جدا می کند، برای غلبه بر آن به انرژی نیاز دارد. این مقدار قابل توجهی انرژی از موتور در ازای محافظت از سایش ارائه شده است. بنابراین، فرمول بندی دقیق ویسکوزیته روغن برای مالکان خودرو و برای دولت هایی که محدودیت های مصرف سوخت را الزامی می کنند بسیار مهم است.

کاهش ویسکوزیته روغن می تواند گام مهمی در کاهش اصطکاک ویسکوز برای بهبود بازده سوخت باشد. جالب اینجاست که طی چند سال گذشته، تعداد خودروهایی که با روغن موتورهایی کار می‌کنند که سطوح ویسکوزیته پایین‌تری دارند، افزایش یافته است، بنابراین راندمان موتور آنها به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد.

یک دهه پیش، روغن‌های SAE 0W-20 و 5W-20، کمترین گریدهای ویسکوزیته SAE را داشتند که SAE 20 دارای حداقل ویسکوزیته با سرعت بالای برش 2.6 سانتی‌پویز (cP) تا شبیه‌سازی بود.