INFLUENCE OF KINEMATIC VISCOSITY OF COMMERCIAL MOTOR OILS ON FRICTION RESISTANCES OF PISTON MACHINES

Transkrypt

1 Journal of KONES Internal Combustion Engines 2002 No. 3 4 ISSN INFLUENCE OF KINEMATIC VISCOSITY OF COMMERCIAL MOTOR OILS ON FRICTION RESISTANCES OF PISTON MACHINES Wiesław Olszewski, Wincenty Lotko, Stanisław Orliński Intytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn Politechnika Radomska Al. Chrobrego Radom Piotr Orliński Politechnika Warszawska Wydział Transportu Abstract Tending to restriction of the exhaust gases emission is the most important trend of development of fuel engine design requires among other reduction of the fuel consumption. Quantity of the frictional resistance has a fundamental effect on this depending on design and rheological of the tribological kinematic pairs, engine operating condition and properties of oils using in engine. Nowadays the most important problem of the cognitive nature is determining relation between properties of the engine oil (especially rheological) and the coursing of the tribological processes during running engine. Initially results of the effect kinematic viscosity in test temperature on frictional resistance in piston air compressor HS 11 using 11 fresh commercial motor oils are presented in the paper. WPŁYW LEPKOŚCI KINEMATYCZNEJ ŚWIEŻYCH HANDLOWYCH OLEJÓW SILNIKOWYCH NA OPORY TARCIA MASZYN TŁOKOWYCH Streszczenie Dążenie do ograniczenia emisji składników spalin będące najważniejszym aktualnie trendem rozwojowym konstrukcji silników spalinowych wymaga między innymi zmniejszenia zużycia paliwa. Istotny wpływ na to ma wielkość oporów tarcia, a te zależne są od konstrukcji poszczególnych węzłów tribologicznych, warunków pracy w silniku i własności reologicznych stosowanych olejów silnikowych. Problemem natury poznawczej staje się więc ustalenie relacji między własnościami oleju silnikowego zwłaszcza reologicznymi, a przebiegiem procesów tribologicznych w czasie pracy silnika. W artykule przedstawiono wstępne wyniki badań wpływu lepkości kinematycznej w temperaturze pomiaru na opory tarcia sprężarki tłokowej HS-11, jedenastu losowo wybranych handlowych-świeżych olejów silnikowych. 1. Wprowadzenie Oleje smarowe stanowią część ogólnej ilości produktów naftowych (poniżej 2% w stosunku do ropy poddanej przeróbce), ale odgrywają bardzo ważną rolę w wielu dziedzinach przemysłu, w transporcie czy usługach. W odniesieniu do olejów smarowych używanych w świecie ponad 50% stanowią oleje silnikowe. Odpowiednia jakość oleju silnikowego jest niezbędnym warunkiem sprawnej i długotrwałej pracy silnika spalinowego. Olej wpływa również w dużym stopniu na hałaśliwość pracy silnika, emisję toksycznych składników spalin i zużycie paliwa. Obecnie w rozwoju konstrukcji silników spalinowych dominuje dążenie do ograniczenia emisji spalin, co można między innymi uzyskać zmniejszając zużycie paliwa. Z kolei wpływ na zużycie paliwa, ma między innymi wielkość 224

2 oporów tarcia, które są zależne od konstrukcji poszczególnych węzłów tribologicznych, warunków pracy w silniku i własności reologicznych stosowanych w nich olejów silnikowych. Jak powszechnie wiadomo proces smarowania jest tym efektywniejszy im między innymi wyższa jest jego lepkość oleju. Wyższa lepkość oleju smarowego to większe prawdopodobieństwo wystąpienia tarcia w warunkach smarowania płynnego. Ten rodzaj tarcia charakteryzuje się małym współczynnikiem tarcia i małym zużywaniem elementów trących. W silniku spalinowym, tarcie w warunkach smarowania płynnego ma miejsce w nominalnych warunkach pracy w parach kinematycznych: TPC (tłok-pierścień-cylinder) oraz układzie tłokowo-korbowodowym i rozrządu. Wymienione węzły tribologiczne mają decydujący wpływ na trwałość i niezawodność pracy silnika. Jednocześnie jednak ze wzrostem lepkości oleju wzrastają straty energii na pokonanie oporów tarcia, tym samym wzrasta zużycie paliwa i co w konsekwencji koszty eksploatacji. Niezbędny jest więc kompromis przy doborze oleju silnikowego uwzględniający obie sprzeczne ze sobą tendencje. Na rys.1 przedstawiono źródła strat energii w samochodach osobowych [1]. Straty ciepła gazy spalinowe 30-35% Inne 5-7% Oporu ruchu 10-15% C H Ł O D N I C A Silnik Skrzynia biegów Układ jezdny Inne części 2-5% Tarcie 8-10% Pompa olejowa 5-7% Tarcie 1-2,5% Tarcie 1-2,5% Straty ciepła 27-33% Rys.1. Źródła strat energii w samochodach osobowych [1] Fig.1. Loss of energy source in motor cars 2. Przedmiot badań Do badań wytypowano 11 handlowych, świeżych olejów silnikowych o różnej bazie olejowej, klasach lepkościowych i jakościowych i różnej zawartości dodatków uszlachetniających. Oleje oznaczone w tabeli:1 numerami 2, 3, 5, 8, 9, 10, 11 były olejami mineralnymi przy czym oleje nr 2, 3, 5, 8 to oleje wysokorafinowane przeznaczone do smarowania współczesnych silników spalinowych zaś 9, 10 i 11 to oleje niższych klas jakościowych stosowane do silników o ZI-9 i o ZS-10, 11 starszych typów produkcji z lat

3 Olej nr.7 był olejem półsyntetycznym, a oleje nr 1, 4, 6 olejami syntetycznymi. Olej nr.10 był olejem jednosezonowym, pozostałe zaś olejami wielosezonowymi. Poza olejami 10, 12 przeznaczonymi do silników o ZS i 9 przeznaczony do silników o ZI pozostałe oleje przeznaczone są zarówno do silników o ZI i o ZS z preferencją poza olejem nr.5 do silników o ZI. Oleje syntetyczne nr 1, 4, 6 są olejami spełniającymi klasyfikację EC (Energy Conserving) tzn. olejami energooszczędnymi (paliwoszczelnymi, lekkobieżnymi) o obniżonej lepkości zawierające niekonwencjonalne modyfikatory tarcia. Olejem lekkobieżnym jest także olej półsyntetyczny nr 7. Wartości lepkości kinematycznej olejów silnikowych objętych badaniami na stanowisku sprężarkowym HS-11 przedstawiono w tabeli 1, a porównanie wg. wzrastającej lepkości kinematycznej w temperaturze pomiaru tj. 47 o C olejów świeżych przed i po badaniach na rys.2. Serie1 Serie2 mm 2 /s Rys. 2. Porównanie wartości lepkości kinematycznej w temperaturze pomiaru badanych świeżych olejów silnikowych (wg. wzrastającej lepkości- seria 1 przed badaniami, seria 2 po badaniach) Fig. 2. Comparision of value of the kinematic viscosity on the measurment fresh engine oil by increasing viscosity (series I- before testing, series II- after testing) Tabela 1 Podstawowa charakterystyka lepkościowa świeżych olejów silnikowych przed i objętych badaniami Table 1 Basic kinematic characteristic of fresh engine oils before testing and during testing Lp. Nazwa oleju silnikowego Klasa lepkości wg SAE Klasa jakości wg API Lepkość kinematyczna oleju świeżego w temp. 47 C; [mm 2 /s] Lepkość kinematyczna oleju po badaniu w temp. 47 C; [mm 2 /s] Zmiana lepkości kinematycznej [mm 2 /s] Wskaźnik lepkości WL Mobil 1 5W-50 SJ/CF 70,09 71,81 + 1, Vat Turbo Plus 15W-40 SH/CF-4 75,42 71,41-4, Motoroil 3 Tedex 15W/40 SF/CC 74,86 71,59-3, Universal 4. Castrol Formula RS 10W-60 SJ/CF 120,72 109,19-11,

4 5 Mobil 15W-40 CF/SJ 70,91 71,37 + 0, Super Diesel 6 Lotos Syntetic 5W/40 SJ/CF/EC 67,30 62,09-5, Lotos Semi 10W/40 SG/CD 75,94 69,23-6, Syntetic 8. Lotos 15W/40 SG/CD 71,29 63,16-8, Selektol 20W/40 SD 84,28 76,98-7, Specjal 10 Superol 40 CB 105,18 84,03-21, Superol Milvus 15/W40 CC 77,62 74,66-2, Opis stanowiska badawczego Badania przeprowadzono na stanowisku badawczym przeznaczonym do wyznaczania wydatku sprężarki, czasu napełniania zbiornika i poboru mocy przez sprężarkę przy zadanych przeciwciśnieniach w celu wykonania charakterystyk technicznych. Sprężarki tłokowe HS-11 typu stosowane są między innymi w powietrznym układzie hamulcowym samochodów ciężarowych marki STAR. Badania prowadzono zgodnie z normą zakładową ZN-92/MP/ Powietrzne układy hamulcowe w pojazdach samochodowych i przyczepach. SPRĘŻARKI POWIETRZNE TŁOKOWE (Wymagania i badania). Dla realizacji celu pracy opracowano koncepcję badań polegającą na zadawaniu przeciwciśnień powietrza od 0,0 do 0,8 MPa do akumulatora powietrza (zbiornik 20 dm 3 ) i pomiarze oporów tarcia poprzez pośredni pomiar strat mocy silnika elektrycznego prądu stałego napędzającego sprężarkę tłokową przy 5-ciu różnych prędkościach obrotowych tj. 1000, 1500, 2000, 2500, 3000 obr/min w temperaturze oleju 47 o C. Schemat blokowy stanowiska badawczego przedstawiono na rys.3. Rys.3. Schemat blokowy stanowiska do badania sprężarek 1 badana sprężarka, 2 zawór regulacji ciśnienia, 3 zbiornik powietrza, 4 zestaw manometrów, 5 zawór spustowy sterowany przekaźnikiem czasowym, 6 układ sterowania elektrycznego, 7 silnik elektryczny prądu stałego PZBb 32b, Fig.3. Schematic diagram of the stand to testing compressors 1 testing processor, 2 control presure value, 3 air tank, 4 manometr set, 5 releasing value operating by timer, 6 electrical control system, 7 electic engine of direct current PZBb 32b 227

5 4. Wyniki badań Na rysunkach 4, 5, 6, 7, 8 przykładowo pokazano porównanie poborów mocy przez sprężarkę smarowaną 11-ma olejami silnikowymi świeżymi przy prędkości obrotowej 2000 obr/min i zadanych przeciwciśnień 0, 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 MPa w stałej temperaturze pracy oleju równej 47 o C Rys. 4. Porównanie poborów mocy przez sprężarkę smarowaną 11-rodzajami olejów przy P= 0 [MPa] n= 2000 [obr/min] Fig. 4. Comparision of the power input using pressure lubricating 11-kinds of oils at P= Rys. 5. Porównanie poborów mocy przez sprężarkę smarowaną 11-rodzajami olejów przy P= 0,2 [MPa] n= 2000 [obr/min] Fig. 5. Comparision of the power input using pressure lubricating 11-kinds of oils at P= 0, Rys. 6. Porównanie poborów mocy przez sprężarkę smarowaną 11-rodzajami olejów przy P= 0,4 [MPa] n= 2000 [obr/min] Fig. 6. Comparision of the power input using pressure lubricating 11-kinds of oils at P= 0,4 228

6 Rys. 7. Porównanie poborów mocy przez sprężarkę smarowaną 11-rodzajami olejów przy P= 0,6 [MPa] n= 2000 [obr/min] Fig. 7. Comparision of the power input using pressure lubricating 11-kinds of oils at P= 0, Rys. 8. Porównanie poborów mocy przez sprężarkę smarowaną 11-rodzajami olejów przy P= 0,8 [MPa] n= 2000 [obr/min] 5. Wnioski Fig. 8. Comparision of the power input using pressure lubricating 11-kinds of oils at P= 0,8 Na podstawie uzyskanych wyników badań można sformułować następujące wnioski: 1. W przypadku olejów świeżych stwierdzono wprawdzie wyraźne różnice w poborze mocy przez sprężarkę HS-11 smarowaną olejami o różnej lepkości dla danego przeciwciśnienia i wybranej prędkości obrotowej (rysunki 4-8), ale różnice te są dość przypadkowe. Nie stwierdzono wydawałoby się logicznego związku typu: olej o wyższej lepkości powoduje większy opór tarcia, który w warunkach badania był mierzony za pomocą pomiaru poboru mocy. 2. Autorom referatu wydawało się, że wytypowane do badań oleje o zróżnicowanej bazie olejowej (mineralne, półsyntetyczne, syntetyczne), różnej lepkości kinematycznej (w temperaturze pomiaru 47 o C od 67,3 mm 2 /s do 120,72 mm 2 /s), różnym wskaźniku lepkości (od 90 do 184), różnym składzie dodatków modyfikujących własności reologiczne (oleje z dodatkami niskotarciowymi i bez) spowodują dające się zaobserwować istotne systematyczne zmiany w poborze mocy przez sprężarkę HS-11, co odpowiadałoby zmianom w oporach tarcia. Takich zależności nie stwierdzono dla całej populacji badanych olejów, chociaż np. oleje Castrol Formula RS 10W/60 i Superol SAE 40 o najwyższych lepkościach spośród badanych olejów dla pewnych prędkości obrotowych i przeciwciśnień 0-0,4 MPa wykazywały największy pobór mocy. 229

7 Jednocześnie właśnie w tych olejach stwierdzono największy spadek lepkości po badaniach w stosunku do lepkości przed badaniami. Być może, że przyczyna braku systematycznych zmian poboru mocy (oporów tarcia) w funkcji lepkości olej i jest spowodowana tym, że w warunkach badania nie występowało tarcie płynne, w którym lepkość decyduje o oporach tarcia. Poza obszarem tego rodzaju tarcia lepkość nie wpływa na opory tarcia. 3. Przeprowadzone badania na stanowisku ze sprężarką HS-11 zaplanowane były jako wstępne mające potwierdzić lub zanegować słuszność kierunku poszukiwań naukowych obejmującego zagadnienia wpływu rodzaju świeżego oleju silnikowego na parametry pracy silnika. Bibliografia 1. Shannom & M.P. Wakem. Innovations in engine lubricant desing help to improve fuel efficiency while preserving extended oil drain interval capability, Engine Technology International 1/ Baczewski K.: Badania właściwości reologicznych olejów roślinnych, Paliwa, Oleje i Smary w Eksploatacji, nr Lotko W., Olszewski W., Orliński S.: Badania wpływu wybranych parametrów olejów silnikowych na opory tarcia maszyn tłokowych. Sprawozdanie z pracy nr 1702/07/B Politechniki Radomskiej. Radom