Journal of KONES Internal Combustion Engines 22 No. 3 4 ISSN 1231 45 INVESTIGATION OF INFLUENCE OF UTILIZATION DEGREE OF THE SYNTETIC MOTOR OIL ON FRICTIONAL PARAMETERS Artur Maciąg, Wiesław Olszewski Instytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn Politechnika Radomska, Al. Chrobrego 45, 26-6 Radom 48 361-76-42, fax 48 3617644 maciaga@kiux.man.radom.pl, wieols@wp.pl Janusz Jakóbiec Instytut Technologii Nafty, ul. Łukasiewicza 1, 31-429 Kraków 12 617-76-96, fax 12 4114462 Abstract Results of influence of utilization degree of the Lotos Syntetic SAE 5W/4 API SJ/CE/EC oil on frictional parameters using TR-2 machine were presented in this paper. Test oils were sampling from motor-car Daewoo-Tico (ZI) in interurban conditions about 15km. monthly. Lower friction resistance (even three times) was stated in the used oil then in the fresh one in conditions of boundary friction. Minimal friction resistance was recorded in oil after the run of 13km. On the one hand it s advantage because wear fuel was reduced but in the other hand lubricating layer resistance on stoppage was decreased (and it s disadvantage). Any essential dependence's were found between frictional resistance and such engine oil parameters as: viscosity, contamination, dielectrical properties measured with Lubri-Sensor. Essential correlation between friction resistance in conditions of boundary friction and changing basic number and also used time oil was found. BADANIE WPŁYWU STOPNIA PRZEPRACOWANIA SYNTETYCZNEGO OLEJU SILNIKOWEGO NA PARAMETRY TARCIA Streszczenie W referacie przedstawiono wyniki badania wpływu stopnia przepracowania oleju silnikowego Lotos Syntetic SAE 5W/4 API SJ/CE/EC na parametry tarcia mierzone w maszynie tarciowej TR-2. Próbki oleju do badań, pobierane były z silnika samochodu osobowego o ZI (DAEWOO-TICO) eksploatowanego w warunkach jazdy międzymiejskiej średnio około 2 5 km miesięcznie. W próbkach oleju eksploatowanego stwierdzono znacznie niższe opory tarcia (nawet trzykrotnie) w warunkach smarowania granicznego niż w oleju świeżym. Minimum oporów tarcia wystąpiło w próbkch oleju o przebiegu ok. 13 km. Jest to zjawisko pozytywne z punktu widzenia zmniejszenia zużycia paliwa, ale jednocześnie co jest zjawiskiem niekorzystnym zmniejszyła się odporność warstwy smarowej na przerwanie. Jednocześnie w toku badań nie stwierdzono korelacji pomiędzy oporami tarcia a takimi parametrami fizykochemicznymi oleju silnikowego jak lepkość, zawartość zanieczyszczeń, własności dielektryczne mierzone przyrządem Lubri - Sensor. Stwierdzono natomiast silną korelację pomiędzy oporami tarcia w warunkach smarowania granicznego a zmianą liczby zasadowej, a także pomiędzy własnościami dielektrycznymi i liczbą zasadową a czasem eksploatacji oleju. 1. Wprowadzenie Podstawową funkcją oleju silnikowego jest obniżenie tarcia, a w efekcie zmniejszenie zużycia energii i kosztów eksploatacji. W trakcie eksploatacji olej silnikowy ulega zanieczyszczeniu zewnętrznemu i wewnętrznemu. Szczególną grupę zanieczyszczeń stanowią produkty starzenia, powstające w wyniku utlenienia, destrukcji i polimeryzacji węglowodorów 161
oraz dodatków uszlachetniających. Prowadzi to w efekcie nie tylko do wzrostu zanieczyszczenia oleju produktami stałymi, ale także do zmiany jego składu chemicznego. Charakter procesu starzenia i jego intensywność zależą od jakości oleju silnikowego oraz warunków eksploatacji. Skutkiem starzenia oleju w silniku jest pogorszenie jego własności użytkowych (aż do wymiany) ocenianych za pomocą różnych parametrów fizykochemicznych wynikających ze składu oleju skorelowanych najlepiej liniowo z czasem eksploatacji. Badanie kinetyki starzenia jest obecnie dominującym postępowaniem w systemie oceny jakości oleju w eksplotacji. W większości systemów diagnostycznych do oceny oleju silnikowego w eksploatacji, stosuje się pomiary podstawowych znormalizowanych parametrów takich jak lepkość, liczba zasadowa, zawartość zanieczyszczeń itp. Niektóre własności próbuje się oceniać w modelowych węzłach tribologicznych, prognozując zachowanie się oleju w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych na podstawie wyników badania olejów świeżych, np. własności smarne. Taki sposób postępowania obarczony jest pewnym marginesem błędu i nie daje zobiektywizowanych wyników w odniesieniu do rzeczywistego stanu oleju w eksploatacji [1]. Natomiast badania własności tribologicznych (np. pomiar oporów tarcia w momencie przerwania filmu smarowego, wytrzymałość filmu olejowego, czy współczynnik tarcia) w oleju eksploatowanym pozwoliłyby lepiej poznać mechanizm działania środka smarowego nie tylko na podstawie zmian fizykochemicznych makroskopowych własności. Przyczynić się mogą też do opracowania wiarygodnego systemu oceny, np. stanu granicznego kwalifikującego olej do wymiany, czyli metody ustalania uzasadnionego czasu pracy oleju w silniku spalinowym. 2. Parametry fizykochemiczne badanego oleju Badaniom poddano olej silnikowy LOTOS SYNTETIC SAE 5W/4 API SJ/CF/EC z uwagi na fakt, że jest to najbardziej popularny olej syntetyczny na rynku krajowym. Badania prowadzono na prywatnym samochodzie osobowym marki DAEWOO - TICO, gaźnikowym, zasilanym benzyną bezołowiową o LO - 95. Samochód eksploatowany był intensywnie średnio ok. 25 km miesięcznie w warunkach jazdy międzymiejskiej. Próbki oleju pobierano z miski olejowej przez otwór na miarkę poziomu oleju przestrzegając zasady aby temperatura cieczy chłodzącej w czasie tej operacji nie była niższa niż 333-343 K. Próbki o objętości ok.,2 dm 3 pobierano średnio po przebiegach 1,5 2,5 tys. km. Po pobraniu próbki układ smarowania uzupełniany był taką samą ilością oleju jaka została pobrana do badania. Olej eksploatowany był w wydłużonym w stosunku do zaleceń producenta czasie pracy tj. do 18 tys. km. Wyniki pomiarów podstawowych parametrów fizykochemicznych badanego oleju w trakcie eksploatacji przedstawiono w tabeli 1 [2]. W badaniach stwierdzono istotną korelację tylko pomiędzy czasem eksploatacji oleju rozumianym jako przebieg pojazdu w km między kolejnymi wymianami a liczbą zasadową i wskazaniami przyrządu Lubri-Sensor (rys. 1 i 2). 3. 4. Badania tribologiczne Do badań własności tribologicznych użyto oleju po przebiegu, 3665, 5, 6617, 8437, 1213, 14382, 18 km. Próbki po przebiegu 11281 i 15875 km miały zbyt małą objętość, nie pozwalającą na przeprowadzenie badań tribologicznych. Badania tribologiczne przeprowadzono na maszynie tarciowej TR-2 [3]. W stosunku do oryginalnej maszyny zmieniono kształt powierzchni trącej próbek z okrągłego na kwadratowy. Zachowano powierzchnię tarcia 1 mm 2. Próbki mocowano w sposób zapewniający równoległość krawędzi do kierunku tarcia, co gwarantuje stałą długość drogi tarcia na całej powierzchni próbek. Wysoka korelacja liczby zasadowej i wskazań 162
przyrządu Lubri-Sensor z przebiegiem oleju sugerują, że z przebiegiem oleju dość dobrze może być skorelowana zawartość polarnych związków powstających w oleju w trakcie eksploatacji. Zawartość polarnych związków w oleju ma istotny wpływ na proces sorpcji fizycznej i chemicznej na powierzchni metalu, czyli na budowę granicznych warstw smaru. Powinno to mieć istotny wpływ na parametry tarcia w warunkach smarowania granicznego (często nazywanego "tarciem granicznym"). Tabela 1 Wyniki pomiarów podstawowych parametrów fizykochemicznych oleju LOTOS SYNTETIC SAE 5W/4 API SJ/CF/EC w trakcie eksploatacji Table 1 Results of basic physico-chemistry parameters of the Lotos Syntetic SAE 5W/4 API SJ/CE/EC oil during operation. Przebieg [km] Lepkość kinematyczna w 5 C mm 2 /s Lepkość kinematyczna w 1 C mm 2 /s Wskaźnik lepkości Zanieczyszczenia w rozpuszczalniku n - heksan [%] Liczba zasadowa mg KOH/g Właściwości dyspergująco myjące wg. wzorca chromatograficz. 58.2 14.1 17 11.16 Wskazania Lubri- Sensor 3665 46.7 12. 174.139 8.79 1 2 5 52.7 13.1 172.28 8.34 1 2.8 6617 48.7 11.9 16.29 8.97 2 2.8 8437 51.4 12.9 172.455 8.85 3 2.6 1213 58.4 13.5 16.15 6.52 3 3.6 14382 64.3 14.3 15.55 5.71 4 4.6 18 6.2 13.8 155.46 5.12 5 4.9 R 2.333.175.473.37.919 -.928 12 R 2 =.919 LZ [ m g KO H/ g] 1 8 6 4 4 8 12 16 2 Pr zebi eg [ km ] Rys. 1. Zależność liczby zasadowej (LZ) badanego oleju od przebiegu Fig.1. The relation between basic number (LZ) of the test oil and oil s run. Wskazania testera Lubri-Sensor 6 4 2 R 2 =.928 4 8 12 16 2 Pr zebi eg [ km ] Rys. 2. Zależność wskazań przyrządu Lubri-Sensor od przebiegu Fig.2. The relation between indication Lubri-Sensor and oil s run. 163
Pomiary prowadzono przy stałej prędkości ślizgania,4 ±,2 m/s w temperaturze 4 ±,5 C wg. schematu przedstawionego na rys. 3. Graniczną warstwę smarową konstytuowano w czasie 16 h przy stałym nacisku 7,5 N [4]. W czasie pomiaru rejestrowano nacisk, siłę tarcia, temperaturę oleju i rezystancję strefy tarcia. Zasadę wyznaczania nacisku, przy którym następuje zerwanie ciągłości warstwy smarowej przedstawiono na rys. 4. Spadek rezystancji do poziomu pojedynczych omów przyjęto jako wyznacznik pojawienia się kontaktu metal - metal. Rys. 3. Schemat obciążenia węzła tarciowego maszyny TR-2 Fig.3. Scheme of the kinematic pair load of TR-2 machine. Obciążenie [N] 1 8 6 4 P() 2 1 8 6 4 2 R [ Ω ] 5 4 3 P(d) 2 1 Obciążenie [N] 1 8 6 4 2 R [ Ω ] A.4.5.6 Czas [ h] B 16.32 16.36 16.4 16.44 16.48 Czas [ h] Rys. 4. Schemat wyznaczania wytrzymałości warstwy smarowej A - przed docieraniem, B - po docieraniu Fig.4. Scheme of determination of the friction layer resistance A- before running-in, B- after running-in Schemat wyznaczania zmiany oporów tarcia w wyniku konstytuowania granicznej warstwy smarowej przedstawiono na rys. 5. W początkowym okresie docierania obserwuje się stosunkowo duże wartości siły tarcia i niskie wartości rezystancji (bezpośrednio po obciążeniu układu bliskie zera) po czym następuje powolny spadek oporów tarcia i wzrost rezystancji elektrycznej strefy tarcia. Po kilku godzinach wartości obu parametrów stabilizują się. Ocenie podlegają współczynniki tarcia bezpośrednio po obciążeniu układu (μ ) oraz po 15 godzinach konstytuowania warstwy granicznej (μ 15 ). Dla każdego oleju wykonywano od 3 do 6 pomiarów. Jako wynik przyjmowano średnią z wykonywanych pomiarów. 164
Rys. 5. Schemat wyznaczania wartości współczynnika tarcia na początku docierania (µ ) i po docieraniu (µ 15 ) Fig. 5. Scheme of determination of the coefficient friction in start running-in (μ ) and after running-in (μ 15 ). 5. Wyniki badań wytrzymałości warstwy olejowej na zerwanie Na rys. 6 przedstawiono zbiorcze zestawienie wytrzymałości warstwy smarowej na zerwanie w warunkach stałego narastania nacisku. Przed docieraniem o wytrzymałości warstwy smarowej decydują w zasadzie własności reologiczne oleju. Z chwilą "wypchnięcia" oleju ze strefy tarcia dochodzi do kontaktu metal-metal przy stosunkowo niskich obciążeniach rzędu 3 N. Po dotarciu wytrzymałość warstwy smarowej wzrasta prawie o rząd do około 2 N (obserwowane były pojedyncze przypadki wytrzymałości rzędu 4 N). Nacisk [N] 25 2 15 1 5 2.9 19.6 Przed docieraniem Po docieraniu Rys. 6. Wytrzymałość warstwy smarowej badanego oleju na zerwanie Fig.6. The resistance of the lubricating layer test oil on stoppage. Natomiast na rysunku 7 przedstawiono zależność wytrzymałości warstwy smarowej na zerwanie od przebiegu przed docieraniem i po docieraniu (bez oleju świeżego). 25 Obciążenie [N] 2 15 1 5 przed docieraniem R 2 =.113 po docieraniu R 2 =.575 4 8 12 16 2 Pr zebi eg [ km ] Rys. 7. Zależność wytrzymałości warstwy smarowej na zerwanie od przebiegu badanego oleju Fig.7. The relation between resistance of the lubricating layer on stoppage and oil s run. Potwierdził się brak korelacji przebiegu oleju z wytrzymałością warstwy smarowej na zerwanie przed docieraniem. Natomiast wyraźnie wzrósł kwadrat współczynnika korelacji wytrzymałości na zerwanie dotartej warstwy smarowej z przebiegiem oleju. Współczynnik korelacji na poziomie,76 w przypadku oleju z rzeczywistej eksploatacji można uznać za 165
wysoki i pozwala on stwierdzić, że wytrzymałość granicznej warstwy smarowej po docieraniu maleje z czasem pracy oleju. 6. Wyniki pomiarów oporów tarcia Zaobserwowano odmienny mechanizm konstytuowania granicznej warstwy smarowej w przypadku świeżego oleju Lotos i oleju z eksploatacji [5]. W czasie konstytuowania granicznej warstwy smarowej stwierdzono brak zmian oporów tarcia. Siła tarcia w czasie całego procesu pozostawała na tym samym stosunkowo wysokim poziomie (μ,6), mimo że po około jednej godzinie rezystancja styku tarciowego zaczynała gwałtownie rosnąć aż do wartości rzędu kilkunastu tysięcy omów (rys. 8A). A F [N].6.5.4.3.2.1 4 8 12 16 F t [h] R 6 5 4 3 2 1 R [Ω] F [N].6.5.4.3.2.1 4 8 12 16 F t [h] R Rys. 8. Przebieg docierania dla świeżego (A) i eksploatowanego (B) oleju LOTOS SYNTETIC SAE 5W/4 API SJ/CF/EC Fig.8. Course of the running-in for fresh oil (A) and in used oil (B) LOTOS SYNTETIC SAE 5W/4 API SJ/CF/EC B 6 5 4 3 2 1 R [Ω] Natomiast w przypadku olejów z eksploatacji po początkowym okresie znacznych oporów tarcia (aczkolwiek i tak niższych niż w przypadku czystego oleju) następuje dość szybki spadek oporów tarcia średnio dwukrotnie już po około 4 godzinach. Również rezystancja styku znacznie szybciej wzrasta powyżej wartości zerowych, co świadczy o rozdzieleniu metalowych powierzchni trących trwałą warstwą środka smarowego. Jednak rezystancja styku stabilizuje się na poziomie kilkuset omów, tj. o 2 rzędy niżej niż w przypadku oleju świeżego (rys. 8B). Tak różne (jakościowo i ilościowo) opory tarcia, jak również ilościowa różnica w rezystancji styku tarciowego świadczą, że graniczna warstwa smarowa konstytuowana z oleju przepracowanego jest jakościowo inna niż warstwa graniczna konstytuowana z oleju świeżego. Spowodowane jest to najprawdopodobniej zawartością polarnych produktów utleniania oleju w czasie eksploatacji. Z przeprowadzonych pomiarów nie można określić w jakim momencie zmienia się mechanizm konstytuowania granicznej warstwy smarowej. Na rys. 9 przedstawiono zależność współczynnika tarcia od przebiegu oleju. Współczynniki tarcia w oleju świeżym są znacznie wyższe niż w oleju przepracowanym. Należy sądzić, że zmiany w oleju skutkujące skłonnością do tworzenia niskotarciowych warstw granicznych następują w początkowym okresie eksploatacji. Pierwsza próbka oleju z eksploatacji pobrana po 36 km wykazuje już współczynnik tarcia na poziomie pozostałych próbek oleju przepracowanego. Oznacza to, że w zakresie do 36 km eksploatacji zachodzą w oleju zmiany mające istotny wpływ na jego własności tribologiczne. Wyraźnie widać, że po docieraniu współczynnik tarcia jest znacznie mniejszy. Przed docieraniem wynosi,25,35, natomiast po docieraniu,1,25. Poszczególne próbki oleju z eksploatacji mogą się znacznie różnić (przyczyną może być różna eksploatacja przed pobraniem próbki, pora roku, wielkość i czas dolewki świeżego oleju i wiele innych). 166
Powoduje to, że bezpośrednie porównywanie poszczególnych punktów jest mało "informatywne". µ.7.6.5.4.3.2.1 5 1 15 2 Początek docierania Przebieg [km] Po dotarciu Rys. 9. Zmiana oporów tarcia w funkcji przebiegu oleju LOTOS SYNTETIC SAE 5W/4 API SJ/CF/EC Fig. 9. The change of the frictional resistance as function run of the Lotos Syntetic SAE 5W/4 API SJ/CE/EC oil. Wydaje się, że w tym przypadku zasadne będzie operowanie wskaźnikiem względnej zmiany współczynnika tarcia w wyniku procesu docierania określonym wzorem: 1%*(μ 15 - μ ) /μ gdzie: μ - współczynnik tarcia na początku docierania μ 15 - współczynnik tarcia po 15 godzinach docierania Zależność tak obliczonego współczynnika od przebiegu oleju przedstawiono na rysunku 1. Z przedstawionej zależności wynika, że pod względem oporów tarcia w granicznej warstwie smarowej eksploatowany olej najkorzystniejsze własności ma w zakresie 13 do 16 tys. km. W tym zakresie opory tarcia w granicznej warstwie smarowej są o około 6 % niższe niż bez tej warstwy. Stosunkowo wysoki kwadrat współczynnika korelacji wskazuje, że związek między spadkiem oporów tarcia a przebiegiem oleju może być istotny. Ponieważ stwierdzono wysoką korelacje liczby zasadowej oleju i wskaźnika Lubri-Sensor z przebiegiem oleju, dokonano sprawdzenia czy istnieje korelacja między wytrzymałością granicznej warstwy smarowej i oporami tarcia w tej warstwie a w/w parametrami fizykochemicznymi. Stwierdzono brak korelacji między liczbą zasadową a parametrami związanymi z wytrzymałością warstwy smarowej. Stwierdzono istnienie korelacji między liczbą zasadową a współczynnikiem tarcia po docieraniu. Szczególnie wysoki (jak dla oleju z eksploatacji) współczynnik korelacji (R =,79) jest między liczbą zasadową oleju a wskaźnikiem względnej zmiany współczynnika tarcia, i jest on wyższy od współczynnika korelacji liniowej między przebiegiem oleju a wskaźnikiem względnej zmiany współczynnika tarcia (R =,69). Ponieważ zmiana liczby zasadowej pośrednio informuje o zawartości polarnych produktów utlenienie oleju, być może należałoby poszukiwać parametrów fizycznych opisujących "polarność oleju" a nie jego własności dielektryczne. 167
2% R 2 =.6755 % (µ15-µ)/µ -2% -4% -6% -8% 5 1 15 2 Przebieg [km] Rys. 1. Zmiana oporów tarcia w wyniku docierania badanego oleju w funkcji czasu Fig. 1. The change of the friction resistance as a results of running-in test oil as function of time. 7. Wnioski 1. Próbki oleju eksploatowanego wykazują w węźle tarcia maszyny TR-2 niższe opory tarcia niż olej świeży. Proces docierania powoduje dalsze obniżenie oporów tarcia. Względna zmiana oporów tarcia w wyniku docierania jest dość mocno skorelowana z przebiegiem oleju (R 2 =,62). 2. Stwierdzono istotną różnicę w docieraniu węzła smarowanego olejem świeżym i eksploatowanym. W oleju świeżym wytwarza się graniczna warstwa smarowa o dużej rezystancji elektrycznej (rzędu kilkunastu kiloomów) i znacznych oporach tarcia (μ =,6) mniej więcej stałych w czasie docierania. Natomiast w oleju eksploatowanym wytwarza się warstwa smarowa o mniejszej rezystancji elektrycznej (rzędu kilkuset omów) i jednocześnie dużo mniejszych oporach tarcia malejących w czasie docierania układu od wartości μ =,4 na początku docierania do μ =,15 po docieraniu. Minimum oporów tarcia wystąpiło w oleju o przebiegu ok. 13 km. 3. W początkowym okresie eksploatacji znacząco maleją opory tarcia w warunkach smarowania granicznego (olej dociera się). Wyznaczenie czasu niezbędnego do dotarcia oleju wymaga dalszych badań. 4. Graniczna warstwa smarowa wykazuje prawie o rząd większą wytrzymałość na zerwanie filmu smarowego. Wytrzymałość tej warstwy maleje z czasem eksploatacji oleju. Literatura 1. Olszewski W.: Praca doktorska "Badania porównawcze kryteriów stanu granicznego oleju silnikowego", Politechnika Poznańska, 1985. 2. Olszewski W. i in.: Badanie wpływu stopnia przepracowania syntetycznego oleju silnikowego na parametry tarcia, spr z pracy n-b, Politechnika Radomska 21. 3. Patent Polski nr P-22886, 198. 4. Maciąg A., Badanie "tarcia granicznego" w warunkach zmiennych nacisków w tarciu ślizgowym, ref. Na XXV Jesienną Szkołę Tribologiczną, Lądek Zdrój 22 5. Olszewski W., Maciąg A., Wpływ czasu eksploatacji oleju silnikowego na opory tarcia w warunkach smarowania granicznego, ref. Na XXV Jesienną Szkołę Tribologiczną, Lądek Zdrój 22 168