Cum determinam calitatea uleiului de motor?

Desi majoritatea uleiurilor de motor sunt produse la standarde acceptabile, calitatile lor generale si specifice pot varia destul de mult. Uleiurile de motor de calitate slaba ajung adesea pe piata ca urmare a ignorantei sau a lacomiei. Din nefericire pentru posesorul neinformat de autovehicul, un ulei de motor de buna calitate si unul de calitate slaba vor arata si vor parea la fel.

Teste de motor si de banc

Motorul a fost dintotdeauna platforma suprema pentru stabilirea calitatii necesare a uleiului. Chiar daca designul motorului s-a schimbat pentru a indeplini cerintele legate de performanta, eficienta in consumul de carburant si standardele de mediu, motorul continua sa fie arbitrul suprem al calitatii uleiului.
Cu toate acestea, folosirea motorului pentru a masura calitatea uleiului in teste cu dinamometrul poate fi o propunere scumpa. Chiar si asa, pentru a contribui la controlul costurilor de garantie, dezvoltarea si utilizarea testelor de motor este inevitabila pentru producatorii de motoare atunci cand trebuie sa determine calitatea uleiului necesar pentru un design anume sau pentru o componenta anume.
Desi necesara, generarea de teste repetabile cu dinamometrul, pentru un motor, poate fi o provocare. Pentru ca designul motorului a crescut progresiv puterea de la motoare mai mici, dificultatea de a stabili teste repetabile cu dinamometrul a crescut si mai rapid. Din fericire, odata ce nivelul de calitate a fost determinat pe dinamometru sau in teren, exista o abordare cu costuri mult mai reduse, care poate fi aplicata pentru a aprecia mai exact calitatea uleiului.
Aceasta implica folosirea testarii la banc, in laborator, ale carei rezultate vor fi apoi correlate cu testele de dinamometru ale motoarelor sau cu experienta din teren.
Testele la banc au capacitatea de a oferi o evaluare relativ ieftina a calitatii uleiului. Cu toate acestea, valoarea si semnificatia acestui tip de teste depind de un numar de factori, inclusiv identificarea nevoilor speciale ale motorului, informarea clara si constanta legata de motor fie in teste cu dinamometrul, fie in experienta din teren, precum si intelegerea relatiei dintre nevoile motorului si proprietatile fizice si/sau chimice ale acestuia.

Proprietatile uleiului de motor

Pentru a fi de folos motorului, uleiul trebuie sa aiba anumite proprietati fizice si chimice.
In timpul utilizarii uleiului, motorul genereaza o serie de tensiuni de folosire care au efecte adverse asupra capacitatii uleiului de a functiona pe termen lung la un nivel inalt constant. Conditiile de folosire pot varia, de asemenea, foarte mult in functie de mediu si de modul in care vehiculul este utilizat. In consecinta, alegerea unui ulei de motor care sa raspunda unor nevoi anume de utilizare si unor conditii anume necesita cunoasterea catorva proprietati importante ale uleiului, printre care si vascozitatea.

Vascozitatea

Vascozitatea poate fi definita drept rezistenta fluidului la curgere. Pentru ca moleculele unui fluid sunt cumva atrase una de cealalta, este nevoie de energie pentru a le separa si pentru a crea un flux. In general, intre moleculele mai mari exista o mai mare atractie si o vascozitate mai mare. Energia necesara pentru a invinge aceasta atractie intre molecule si pentru a determina curgerea fluidului poate fi considerata o forma de frecare.
De aceea, vascozitatea poate fi considerata o forma de frecare moleculara. Dintre toate calitatile fizice si chimice ale uleiului de motor, vascozitatea si comportamentul vascometric in timpul utilizarii sunt adesea considerate cele mai importante.

Vascozitatea si prevenirea uzurii

Aceeasi frecare moleculara despre care vorbeam impiedica alunecarea prea rapida a uleiului atunci cand doua suprafete ale motorului aflate in miscare relativa sunt aduse aproape sub presiune. Aceasta incapacitate a uleiului de a aluneca rapid si nivelul sau de incompresibilitate tin cele doua suprafete la distanta si previn uzura, un proces care se numeste lubrifiere hidrodinamica.
Cu cat vascozitatea unui ulei este mai mare, cu atat este mai mare si atractia moleculelor uleiului, dar si protectia fata de uzura.

Clasificarea vascozitatii

Vascozitatea unui lubrifiant a fost asociata intotdeauna cu protectia fata de uzura.
La inceputurile sale, SAE recunostea vascozitatea ca fiind o functie importanta si instituia sistemul de clasificare J300, care stabileste nivelurile de vascozitate pentru motoare, impartindu-le intr-o serie de grade. Aceste grade sunt definite prin niveluri de vascozitate intr-una sau doua zone de temperature.
In prezent, gradele sunt stabilite pentru temperaturile de operare ale motorului si pentru temperaturile de iarna la care uleiul influenteaza pornirea si pomparea.

Vascozitatea in conditii de functionare

In primii ani ai motoarelor auto, uleiurile erau formulate simplu si respectau ecuatia lui Newton pentru vascozitate – cu cat este folosita mai multa forta pentru a face fluidul sa curga (shear stress), cu atat fluidul va curge mai repede (shear rate). In mod esential, raportul dintre shear stress si shear rate – vascozitatea – a ramas constant la toate shear rate-urile. Uleiurile de motor din acele vremuri erau toate uleiuri single grade si nu beneficiau si de clasificarea “W” a SAE.
Aceasta relatie viscometrica s-a schimbat in anii 1940, atunci cand a fost descoperit ca adaugarea unor cantitati mici de polimeri cu greutate moleculara mare parea sa dea uleiului caracteristicile dorite de curgere, atat pentru pornirea la temperaturi scazute cat si pentru operarea motorului la temperaturi mari. In consecinta, aceste uleiuri cu continut polimeric au fost inregistrate in sistemul de clasificare in functie de vascozitatea al SAR ca uleiuri de motor multi-grad, pentru ca ele respecta cerintele ambelor zone de vascozitate la temperaturi diferite.
De atunci, uleiurile multigrad (SAE 10W-40, 5W-30, 0W-20, etc.) au devenit foarte populare. Cu toate acestea, ele nu au mai fost newtoniene in ceea ce priveste caracteristicile de curgere, pentru ca s-a descoperit ca vascozitatea se reduce odata cu cresterea shear rate-ului.

Vascozimetria vitezei mari de forfecare

In consecinta, a aparut nevoia de a dezolta un vascozimetru pentru viteza mare de frecare, pentru a reflecta vascozitatea in cadrul motorului, la temperaturi de functionare.
La inceputul anilor 80 au fost dezvoltate un instrument si o tehnica ce ar putea atinge cateva milioane de secunde reciproce la 150 de grade Celsius, precum si sa exercite viteze mari de frecare la alte temperaturi, atat in cazul uleiurilor de motor noi cat si in cazul celor utilizate.
Instrumentul s-a numit vascozimetru simulator de rulment conic, tehnica a fost acceptata de catre ASTM drept metoda de testare D4683 pentru utilizare la 150 de grade Celsius (si mai recent drept D6616 pentru utilizare la 100 de grade Celsius).
Acest important test de banc pentru calitatea uleiului de motor a devenit cunoscut drept vascozitate la temperatura inalta si rata mare de frecare (HTHS).
Apoi au fost impuse limite minime pentru diferite grade ale sistemului de clasificare SAE pentru vascozitate.
In mod interesant, s-a dovedit ulterior ca acest instrument a fost unic si practic complet in furnizarea masurilor atat pentru shear stress cat si pentru shear rate in timpul functionarii motorului. Acesta este singurul vascozimetru cunoscut capabil sa faca asta.

Vascozitatea si gelifierea uleiului la temperaturi scazute

Uleiurile de motor multigrad au fost introduse initial pentru a reduce vascozitatea uleiului la temperaturi scazute, astfel incat sa faciliteze pornirea motorului. Acest beneficiu important a fost imediat vizibil, iar uleiurile multigrad au devenit de atunci cea mai populara forma de lubrifiant de motor din lume.
Cu o pornire a motorului mai usoara la temperaturi reduse, a devenit evidenta o alta problema – pompabilitatea uleiului – mult mai serioasa, pentru ca incapacitatea uleiului de fi pompat putea distruge motorul. La testele cu dinamometrul efectuate in incaperi cu temperatura scazuta, s-a determinat ca au fost doua tipuri de probleme de pompabilitate. Prima a fost legata pur si simplu de vascozitatea mare si a primit denumirea de comportament de curgere limitata.
Cea de-a doua fost mai putin evidenta si implica practic gelifierea uleiului la un ciclu lung si profund de racire. Aceasta a fost numita blocare cu aer, pentru ca pompa de ulei s-a blocat cu aer ca rezultat al faptului ca o coloana de ulei a fost trasa din baie, iar uleiul nu a umplut acest spatiu ramas gol.
Aceste teste care initial pareau sa prezica ambele forme de esec nu au fost suficiente. In iarna 1979-1980 in Sioux Falls, Dakota de Sud, un ciclu de racire a demonstrat ca blocarea cu aer poate aparea la conditii relativ usoare de racire. De-a lungul unei perioade de 24 de ore o serie intreaga de motoare continand ulei au fost distruse.
Costisitorul incident a scos la iveala nevoia unui test la banc mai sensibil, care sa poata prezice in mod precis tendinta existentei unor esecuri legate de pompabilitate.

Indicele de gelifiere

Fenomenul care a cauzat esecurile de mai sus din Sioux Falls a oferit un studiu de caz solid. Astfel, au fost dezvoltate un nou instrument pentru un test la banc si o noua tehnica, pentru a indica orice tendinta a uleiului de test de a se gelifia. Tehnica, ce a implicat functionarea continua la viteza scazuta a unui rotor cilindric intr-un stator, a fost imediat inclusa intre specificatiile uleiului de motor, iar mai tarziu a primit denumirea ASTM D5133.
Aceasta a aratat nu numai tendinta uleiului de a avea o curgere limitata, dar a specificat si gradul de gelifiere care poate aparea dincolo de intervalul de temperatura masurat (in general intre -5 si -40 de grade Celsius). Parametrul s-a numit indice de gelifiere.
Astazi, specificatiile uleiului de motor pentru uleiurile multigrad necesita ca indicele de gelifiere sa fie de maxim 12.

Vascozitatea si consumul de energie

Pe cat de benefica este vascozitatea pentru motor, in sensul impiedicarii uzurii prin lubrifierea hidrodinamica, pe atat de importante sunt si aspectele sale negative, care tin de afectarea eficientei operationale a motorului.
Frecarea moleculara a uleiului, care separa doua suprafete aflate in miscare relativa, necesita energie pentru a fi invinsa. Vorbim despre o cantitate importanta de energie consumata de motor, in schimbul protectiei fata de uzura pe care o ofera uleiul. De aceea, formularea atenta a vascozitatii uleiului este extrem de importanta pentru proprietarii de masini si pentru guvernele care impun limite in ceea ce priveste economia la combustibil.
Scaderea vascozitatii uleiului de motor poate fi un pas extrem de important in reducerea frecarii vascoase pentru a imbunatati eficienta la combustibil. In mod interesant, in ultimii ani, a existat o crestere a numarului de automobile care functioneaza cu uleiuri de motor cu un nivel de vascozitate mai scazut, imbunatatind astfel in mod semnificativ eficienta motorului.
In urma cu 10 ani, cele mai scazute grade de vascozitate erau cele ale uleiurilor SAE 0W-20 si 5W-20, SAE 20 avand vascozitatea minima la o viteza de forfecare mare, de 2.6 cP, pentru a stimula functionarea motorului la 150 de grade Celsius.
Producatorii de masini din Japonia au pledat recent pentru grade de vascozitate si mai scazute. Ca urmare, SAE a introdus trei noi grade operationale identificate drept SAE 16 (2.3 cP minim la 150 de grade Celsius), SAE 12 (2.0 cP minim la 150 de grade Celsius) si SAE 8 (1.7 cP minim la 150 de grade Celsius).
Niciunul dintre aceste produse nu au ajuns inca pe piata pentru analiza… Pentru ca vascozitatea este direct legata de cantitatea de energie consumata de motor pentru protectia fata de uzura prin lubrifierea hidrodinamica, este de asteptat ca o astfel de reducere a vascozitatii sa aiba beneficii importante in ceea ce priveste eficienta consumului de combustibil, dar numai la motoare care necesita in mod deosebit utilizarea acestor uleiuri.

Indicele de eficienta a consumului de combustibil dependent de vascozitate

Data fiind influenta vascozitatii uleiului asupra motorului, a fost dezvoltata o tehnica pentru calcularea efectelor uleiurilor de motor asupra eficientei consumului de combustibil. Pentru a fi relevante, valorile vascozitatii trebuiau obtinute la viteze mari de forfecare, asociate cu functionarea in sectiuni anume ale motorului.
Cercetarile anterioare cu dinamometrul identificasera procentajul de frecare si temperatura de functionare al celor cinci locatii principale de lubrifiere intr-un motor cu piston alimentat cu benzina, responsabil pentru aproape toata pierderea eficientei. Aceasta informatie a fost folosita pentru a dezvolta un parametru numit indice de eficienta a consumului de combustibil bazata de vascozitate (V-FEI).
La aceasta valoare, care merge de la 0 la 100, cu cat parametrul V-FEI al unui ulei de motor anume este mai mare, cu atat se pierde mai putina energie in favoarea vascozitatii, si in consecinta, cu atat motorul este mai eficient din punct de vedere al consumului de combustibil. Desi nivelurile de frecare in punctele esentiale de lubrifiere sunt diferite in functie de designul diverselor tipuri de motoare, folosirea acestor date ce tin de frecare confera o valoare comparativa pentru uleiurile de motor.

Volatilitatea uleiului de motor

Un alt aspect care trebuie luat in considerare atunci cand este redusa vascozitatea formulelor de ulei de motor este acela ca o astfel de reducere se obtine cel mai frecvent prin utilizarea de uleiuri de baza cu un grad mai mare de volatilitate.
Uleiul volatilizat reduce cantitatea de lubrifiant care ajunge in motor si poate transporta componentele contaminante, afectand in mod negativ capacitatea catalizatorului de a reduce smogul. Uleiul ramas dupa pierderea componentelor mai volatile va fi, de asemenea, mai vascos si va necesita un consum mai mare de energie.
In ultimii cativa ani, este evident ca uleiurile din categoriile SAE 0W-20 si 5W-30 au fost concepute pentru a raspunde specificatiei ILSAC privind volatilitatea, cu o marja confortabila. Aceste rezultate sugereaza ca, in cazul uleiurilor multigrad mai noi, precum SAE 0W-16, 0W-12 si 0W-8, controlul volatilitatii poate fi mai putin solicitant.

Emisiile de fosfor si volatilitatea

Compusii de fosfor solubili, asa cum este si dialchilditiofosfatul de zinc (ZDDP), au fost folositi multi ani in formulele de ulei de motor. Acesti compusi cu rol anti-uzura si antioxidare au oferit un sprijin considerabil in designul motoarelor moderne.
La jumatatea anilor 1900, motorul cu piston a fost identificat drept factor major ce contribuie la poluarea aerului. Hidrocarburile nearse sau arse partial din gazele de esapament ale motorului erau modificate in contact cu lumina soarelui, transformandu-se in hidrocaburi gazoase nocive, care au produs smog in unele orase mari ale lumii.
Ca urmare, convertoarele catalitice de esapament au fost dezvoltate in anii 1970, pentru a trata gazele de esapament si a le transforma in dioxid de carbon si apa.
Din nefericire, in anii care au urmat dupa dezvoltarea convertorului catalitic, s-a descoperit ca anumite elemente din benzina si din uleiul de motor, printre care si fosforul si sulful, ar dezactiva catalizatorul, acoperindu-l. Aceasta descoperire a dus in cele din urma la restrictii in ceea ce priveste cantitatea in care aceste substante puteau fi adaugate in uleiul de motor si in combustibili.

Indicele de emisii de fosfor

La inceputul anilor 1990 a fost dezvoltat testul de volatilitate Selby-Noack, ca o abordare mai buna si mai sigura pentru determinarea volatilitatii uleiului de motor. Acest test a colectat componenta volatila a testului de volatilitate, pentru mai multe analize ulterioare, ceea ce a fost de ajutor pentru detectarea fosforului si sulfului.
In primele analize ale materiilor volatile colectate la testul la banc a fost vizibil ca aditivii de fosfor din uleiurile de motor au produs fosfor si prin descompunerea aditivului.
Pe baza acestor descoperiri, a fost dezvoltat un parametru ce masura cantitatea de fosfor emisa in timpul testului. Acest parametru s-a numit indice de emisii fosforoase (PEI).
In ultimii 8 ani s-au facut progrese considerabile in ceea ce priveste reducerea descompunerii fosforului si/sau volatilitatea celor doua uleiuri multigrad SAE 0W-20 si SAE 5W-30. Reducerea PEI de la 6 la 10 mg per litru de ulei de motor este o schimbare semnificativa in protejarea convertorului catalitic de efectele fosforului.
Cu o tendinta catre motoare mai mici, mai eficiente din punct de vedere al consumului de combustibil si echipate cu turbocompresor, care genereaza temperaturi mai mari in timpul operarii, un test la banc care poate scoate la iveala tendintele unei formule de ulei de a avea emisii fosforoase va fi utila in conceperea unor lubrifianti mai potriviti atat pentru motor, cat si pentru mediu.

Continutul de fosfor si volatilitatea

Cat de multa influenta are fosforul dintr-un ulei de motor asupra cantitatii de fosfor volatilizate in timpul functionarii motorului este o intrebare importanta, iar de raspunsul ei va depinde alegerea aditivilor din formulele de ulei.
In principiu, testele au aratat ca volatilitatea fosforului nu are practic legatura cu cantitatea de fosfor prezenta in ulei ca aditiv.
Fara indoiala, calitatea uleiurilor de motor va juca un rol mult mai important in cazul motoarelor mai mici, mai puternice, care intra pe piata auto. Cu toate acestea, este aproape imposibil de stabilit calitatea unui ulei de motor in functie de aspect.
Aceasta determinare poate fi facuta doar utilizand uleiul sau pre-testandu-l. Evident, ultima varianta este cea preferata de proprietarii de masini, care au facut o investitie mare si au nevoie de un motor care sa functioneze bine si care sa fie durabil.

Baza de date a uleiurilor de motor

In urma cu 30 de ani, pornind de la ingrijorarile repetate exprimate de producatorii de motoare cu privire la calitatea unora dintre uleiuri, Institutul de Materiale (IOM) a inceput sa alcatuiasca o baza de date a uleiurilor de motor. Uleiurile au fost colectate direct de pe piata si analizate de catre anumite laboratoare, printr-o serie de teste la banc. Rezultatele au fost publicate la final, iar baza de date care este disponibila la www.instituteofmaterials.com, acopera acum peste 14.000 de uleiuri de motor din intreaga lume.

Foto: freepik