مسائل اللزوجة

زيت المحرك هو جزء حيوي من محرك الاحتراق الداخلي. بدون زيت ، لن يعمل المحرك. تم فهم هذه الحقيقة بالفعل في بداية تاريخ السيارة الذي يمتد لأكثر من قرن. استخدمت سيارة Benz Patent Motor Car ، التي تم الكشف عنها للجمهور في عام 1886 وعادة ما تعتبر أول سيارة إنتاج تعمل بمحرك احتراق داخلي رباعي الأشواط ، تزييتا غريبا إلى حد ما بالتنقيط وكوب شحم. ومع ذلك ، فإن أول سيارة حقيقية منتجة بكميات كبيرة ، وهي Ford Model T الشهيرة التي تم إطلاقها في عام 1908 ، استخدمت بالفعل نظام تزييت رذاذ يشبه من الناحية المفاهيمية ما نراه في السيارات الحديثة ، باستثناء أن كلا من المحرك وناقل الحركة في Model T يشتركان في نفس الزيت.

نظرا لأن محرك الاحتراق الداخلي يعتمد بشكل كبير على الزيت ، فقد تم إدراك الحاجة إلى توحيد زيت المحرك بسرعة. في الواقع ، في عام 1911 ، تم اعتماد التصنيف الأول لزيوت المحركات من قبل جمعية مهندسي السيارات (SAE) التي تأسست حديثا. صنف تصنيف SAE الأول - ما يسمى بالمواصفة رقم 26 - زيوت المحركات بناء على الجاذبية النوعية ونقاط الوميض والنار. كانت الزيوت الأكثر لزوجة "أثقل" ولها نقاط وميض ونار أعلى. منذ ذلك الحين - حتى في الوقت الحاضر - لا تزال زيوت المحركات يشار إليها أحيانا بالوزن ، على الرغم من أن لزوجة الزيت بدأت تستخدم كأساس لجميع مواصفات SAE المستقبلية منذ عام 1923. تم اعتماد أحدث مواصفات SAE J300 في عام 2015. 

في الواقع ، تحدد SAE J300 أربعة أنواع مختلفة من اللزوجة: اللزوجة الحركية عند 100 درجة مئوية (KV100) ، واللزوجة القصوى المسموح بها للتدوير البارد (CCS) وقابلية الضخ بدرجة حرارة باردة ، ولزوجة عالية القص (HTHS) بدرجة حرارة عالية. ومن ثم ، يمكن للمرء أن يقول بحزم أن اللزوجة مهمة!

لزوجة الزيت هي أحد العوامل المهمة لملاءمتها للغرض. في محرك إطلاق النار ، تركب جميع الأجزاء المتحركة على فيلم زيتي. قد يكون لأي حدوث تلامس معدني معدني غير مشحم عواقب وخيمة ويجب تجنبه بأي ثمن. لكي يقوم الزيت بعمله ، يجب تسليمه في الوقت المناسب إلى نقاط التشحيم الحرجة. يتم تحديد تدفق الزيت عبر قنوات الزيت - أو صالات العرض - في المحرك إلى حد كبير من خلال لزوجته الحركية ، وهذا هو السبب في أن KV100 هو أول شيء يجب النظر إليه عند اختيار الزيت المناسب. ومع ذلك ، يجب أن تكون قادرا أيضا على بدء تشغيل سيارتك في الشتاء. مع انخفاض درجة الحرارة ، يصبح زيت المحرك أكثر لزوجة ، ويتحول في النهاية إلى مادة صلبة تشبه الصابون. إذا حدث هذا ، فلن تتمكن من تشغيل محرك سيارتك. لهذا السبب تسرد SAE J300 أيضا CCS وقابلية الضخ بدرجة حرارة منخفضة. أخيرا ، تحت الحمل العالي للمحرك ، قد ترتفع درجة حرارة الزيت في المحامل إلى 150-200 درجة مئوية ، وفي الوقت نفسه ، تميل قوى القص العالية جدا إلى تمزيق جزيئات الزيت إلى أجزاء أصغر. نتيجة لذلك ، تنخفض لزوجة الزيت. لضمان التشحيم الكافي للمحامل في ظل هذه الظروف القاسية ، تحدد SAE J300 الحد الأدنى من لزوجة HTHS لكل درجة لزوجة.

إذا كانت اللزوجة عالية جدا ، فهي ليست جيدة: قد يفشل الزيت في الوصول في الوقت المناسب ويبتعد عن الحرارة بسرعة كافية. ومع ذلك ، فإن استخدام زيت أكثر سمكا من الموصى به ليس قاتلا: بعد كل شيء ، يحدث هذا في كل مرة تقوم فيها بتشغيل محرك بارد. إذا كانت اللزوجة منخفضة جدا ، فهي أكثر خطورة بكثير: سوف يتدفق الزيت بسهولة شديدة ولن يبني ضغطا كافيا. سيؤدي ذلك إلى التآكل السريع للمحامل ، وجرجرة المكبس / الحلقة ، والنوبات ، وغيرها من المشاكل الحرجة. من شبه المؤكد أنك سترى زيادة في استهلاك النفط.

تعتمد العديد من الأنظمة الفرعية الحيوية في المحرك بشكل كبير على ضغط الزيت ، على سبيل المثال ، شدادات سلسلة التوقيت الهيدروليكي وأنظمة توقيت الصمام المتغير (VVT). إذا كان ضغط الزيت منخفضا ، فقد تبدأ هذه الأنظمة في التعطل: ستفشل شدادات السلسلة في بناء ضغط كاف للتخلص من ركود السلسلة ، وستفشل مراحل الكامة في تقدم الكامة بشكل طبيعي. سيؤدي ذلك إلى تعويض توقيت المحرك ، والذي بدوره سيؤثر على أداء المحرك والاقتصاد في استهلاك الوقود والانبعاثات ، وسيؤدي في النهاية إلى تشغيل ضوء "فحص المحرك".

يتم الحصول على الزيوت الأساسية التقليدية المستخدمة في تصنيع زيوت علبة المرافق عن طريق تقطير وتنقية الزيوت المعدنية الخام. تستخدم أجزاء نواتج التقطير الخفيفة لإنتاج أنواع مختلفة من الوقود ، وتشكل المصدر الرئيسي للربح لمصافي التكرير ، بينما تستخدم أجزاء القاع الثقيلة - التي يشار إليها غالبا باسم قاع البرميل - لتصنيع مواد التشحيم وبعض المنتجات الأخرى بما في ذلك الأسفلت والشمع. تاريخيا ، كان ينظر إلى تصنيع زيوت التشحيم على أنه النهاية الرخيصة لعملية تكرير النفط ، في محاولة لتحويل منتج ثانوي لتصنيع الوقود إلى منتج ذي قيمة مضافة. 

تاريخيا ، كانت أهم الزيوت الأساسية المستخدمة في صياغة زيوت تشحيم علبة المرافق هي تلك التي تتراوح لزوجة 100 إلى 600 SUS (20 إلى 130 cSt عند 100 درجة فهرنهايت) ، بالإضافة إلى الفئة الأكثر لزوجة من الزيوت الأساسية المعدنية مع نطاق لزوجة نموذجي من 1000 إلى 5000 SUS - ما يسمى الأسهم المشرقة. ومع ذلك ، على مدى العقود القليلة الماضية ، كان هناك انخفاض مطرد في حجم الإنتاج واستخدام الزيوت الأساسية المعدنية التقليدية (التي تشكل المجموعة الأولى من API) حيث تفقد عملية تكرير المذيبات القديمة الأرض أمام عملية تكرير أكثر حداثة واقتصادية ونظيفة بيئيا تعرف باسم التكرير بالهيدروجين. يستخدم هذا الأخير لتصنيع الزيوت الأساسية API المجموعة الثانية والثالثة. أحد الجوانب السلبية الرئيسية للتكرير المائي هو أنه لا يمكن أن ينتج منتجات عالية اللزوجة - لا شيء أعلى من 200 SUS. وبالتالي ، تعتمد مواد التشحيم الحديثة بشكل كبير على مثخنات البوليمرات ، المستخدمة لتحل محل الأسهم الساطعة. هذه المكثفات البوليمرية لها أيضا وظيفة مفيدة أخرى - فهي تزيد من مؤشر اللزوجة (VI) للزيت ، ومن هنا جاء اسمها الشائع - محسنات مؤشر اللزوجة (VII).

اليوم ، جميع زيوت محركات السيارات تقريبا "متعددة الدرجات" ، لأنها توفر أداء مناسبا في المناخات الباردة والحارة. يتم وصف الزيوت متعددة الدرجات برقمين ، مثل هذا: SAE 10W-40. يشير الشكل الأول - 10 متبوعا ب "W" - إلى أداء درجات الحرارة المنخفضة. في الأساس ، تقول أنه في فصل الشتاء ، يتصرف هذا الزيت مثل درجة الشتاء القديمة SAE 10W: يجب أن يسمح لك بتشغيل محركك عند -25 درجة مئوية ولن يفقد قدرته على التدفق في درجات حرارة تصل إلى -30 درجة مئوية. يقول الرقم الثاني ، 40 ، أنه في الصيف ، يتصرف نفس الزيت مثل أحادي الدرجة SAE 40 القديم: يحتوي على KV100 في نطاق 12.5 إلى 16.3 cSt ولزوجة HTHS بحد أدنى 3.5 من cP.

كلما زاد الفرق بين الرقمين الثاني والأول ، كلما كان الدرجات المتعددة أوسع.  تتميز أوسع الدرجات المتعددة اليوم ، مثل 0W-40 و 5W-50 و 10W-60 ، ب VI حوالي 180 ، على الرغم من أنه من الممكن تعزيز VI بشكل أكبر ، حتى 200-220. يعد ارتفاع VI ميزة مرحب بها لأن زيت VI المرتفع يظهر تباينا أقل في اللزوجة مع درجة الحرارة. ومع ذلك ، فإن الطيف الفعلي للفوائد يعتمد على كيفية تحقيق هذا السادس العالي ، حيث توجد العديد من المزالق.

دعونا نفكر في مثال على كيفية استخدام معززات VI البوليمرية في الممارسة العملية.  لنفترض أنك حصلت على زيت أساسي 150N API Group II مع KV40 = 28 cSt و KV100 = 5.2 cSt (VI = 109). إذا أضفت 15٪ من نوع أوليفين كوبوليمر (OCP) من محسن VI ، مثل Paratone 8006 ، فسوف ينتهي بك الأمر بمنتج سميك بالبوليمر مع KV40 = 83 cSt و KV100 = 12 cSt (VI = 140). لذلك ، زاد السادس من 109 إلى 140. كيف يمكنك فك شفرة أن هذا مزيج من زيت البوليمر وليس زيت 600N الخالي من البوليمر؟ أول شيء يجب التحقق منه هو نقطة الوميض: سيكون للزيوت السميكة بالبوليمر نفس نقطة الوميض تقريبا مثل الزيت الأساسي الأصلي (150N ، FP 220oC) ، وهو أقل بكثير من نقطة الوميض لزيت أساسي ملتوي خال من البوليمر (600N ، FP 270oC). الفحص الثاني المفيد هو الخسارة التبخيرية: ستظهر الزيوت السميكة بالبوليمر نفس الخسارة التبخرية تقريبا مثل الزيت الأساسي الأصلي (150 نيوتن ، 15 بالوزن٪ Noack) وهو أعلى بكثير من الخسارة التبخيرية لزيت أساسي ملتوي خال من البوليمر (600 نيوتن ، 2 بالوزن٪ Noack).  

الاستنتاج من هذا المثال هو أنه يجب استخدام سماكة البوليمر وتعزيز VI بعناية: على الرغم من أنه يساعدك على ضبط لزوجة المنتج بسهولة ، فقد يتم التغاضي عن بعض الخصائص الحيوية الأخرى. قد يؤدي الاستخدام المفرط للبوليمرات إلى الإضرار باستقرار القص - ولهذا السبب تحدد SAE J300 نطاق HTHS لكل درجة لزوجة ، ولماذا تتميز إضافات VII التجارية بمؤشر استقرار القص (SSI). المشاكل الشائعة الأخرى هي سماكة الأكسدة والهلام في الزيوت المستخدمة.

هناك اختلافات جوهرية بين الفئات المختلفة من محسنات VI من حيث الكفاءة واستقرار القص والذوبان وبالطبع السعر. على سبيل المثال، أصبحت محسنات أوليفين-كوبوليمر (OCP) VI في الوقت الحاضر نوعا من تكنولوجيا تحسين VI من نوع "الفانيليا العادية"، مع التركيز بشكل أساسي على المنتجات ذات القيمة الهندسية، في حين يتم استخدام محسنات الستايرينيك والبولي ألكيل ميثاكريلات (PAMA) VI بشكل متزايد في المنتجات من الدرجة الأولى. تثبت هذه الحقيقة أن بيانات اللزوجة المشار إليها في SAE J300 لا تزال لا ترسم الصورة الكاملة: يمكنك مطابقة جميع قراءات اللزوجة الأربعة ولا تزال ترى اختلافات في أداء المنتج. وذلك لأن اللزوجة التقليدية لا تقول شيئا عن ، على سبيل المثال ، الاستقرار الكيميائي لجزيئات VII ، أو تفاعلاتها المحتملة مع المكونات الأخرى لتركيبات زيوت التشحيم ، أو السلوك الريولوجي غير النيوتوني لأفلام زيوت التشحيم المحتوية على البوليمر. على الرغم من أن الفهم النظري للعمل السابع لمختلف فئات البوليمر وتأثيرها على علم التشحيم قد تقدم بشكل كبير ، إلا أن التجربة تظل أفضل معلم في هذا المجال التجريبي إلى حد كبير.

في الوقت الحاضر ، يتم الترويج للزيوت الرقيقة بنشاط لتحسين الاقتصاد في استهلاك الوقود.  ومع ذلك ، ضع في اعتبارك أنه في المحرك الجاري ، يتم دائما "تخفيف" زيوت التشحيم في علبة المرافق إلى حد ما بالوقود. تعتمد درجة تخفيف الوقود على نوع المحرك وظروف القيادة. تعد حركة المرور في المدينة المتقطعة أحد السيناريوهات السلبية التي لا يعرفها معظم الناس. في أسوأ الحالات ، قد يحتوي الزيت على ما يصل إلى 10-15٪ من الوقود. سيناريو سلبي آخر هو القيادة عالية السرعة ، مثل سباق السيارات ، حيث يتم استخدام خلائط وقود الهواء الغنية عمدا لتبريد المحركات. نتيجة لتخفيف الوقود ، ينخفض زيت المحرك بسهولة بدرجة واحدة: تبدأ بزيت 5W-30 وسرعان ما تجده مخففا إلى مستوى 5W-20. يصبح الزيت أيضا أرق عندما يكون المحرك محملا بشكل كبير ويعمل ساخنا ، على سبيل المثال ، أثناء سحب مقطورة. تميل بعض الشركات المصنعة إلى دمج هامش أمان أكبر في تركيباتها ، وتحديد هدف v100 في منتصف درجة اللزوجة المعنية و HTHS أعلى بكثير من الحد الأدنى المسموح به للقيمة. يحاول آخرون دفع منتجاتهم إلى الحافة لتحقيق أقصى قدر من فوائد الاقتصاد في استهلاك الوقود. على سبيل المثال ، سوف يتحمل 5W-40 مع KV100 = 14.5 cSt تخفيف الوقود بنسبة 4-5٪ دون السقوط من الدرجة. منتج مماثل 5W-40 "الاقتصاد المحسن في استهلاك الوقود" مع KV100 = 13.0 cSt سينخفض عن الدرجة بالفعل عند تخفيف الوقود بنسبة 2٪. وبالتالي ، بشكل عام ، أنت دائما آمن للانتقال إلى درجة واحدة مما توصي به الشركة المصنعة للمحرك ، ولكن لا تستخدم أبدا زيوتا أرق من الموصى بها.

باستثناء عدد قليل من المنتجات الرئيسية، يتم تصميم زيوت التشحيم السائدة دائما لتحقيق القيمة. لكننا في بيزول مهووسون بالجودة - نريد أن نقدم لعملائنا أفضل ما في وسعنا. لفهم الفرق ، انظر إلى الرسم البياني أدناه ، أو - حتى أفضل - جرب بيزول.