influence of kinematic viscosity of commercial motor oils on friction

Journal of KONES Internal Combustion Engines 2002 No. 3‐4 ISSN 1231 ‐ 4005 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 45 26-600 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
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
Inne części
2-5%
Tarcie
8-10%
Skrzynia
biegów
Pompa
olejowa
5-7%
Tarcie
1-2,5%
Układ
jezdny
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 50÷70.
225
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 oC olejów świeżych przed i po badaniach na rys.2.
Serie1
Serie2
mm 2/s
130
120
110
100
90
80
70
60
ol-6
ol-5
ol-1
ol-8
ol-3
ol-2
ol-7
ol-11
ol-9
ol-10
ol-4
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.
1
1
2
3
4.
226
Nazwa
oleju silnikowego
Klasa
lepkości
wg
SAE
Klasa
jakości
wg
API
Lepkość
kinematyczna
oleju
po badaniu
w temp.
47°C;
[mm2/s]
7
71,81
71,41
Zmiana
lepkości
kinematycznej
[mm2/s]
Wskaźnik
lepkości
WL
4
SJ/CF
SH/CF-4
Lepkość
kinematyczna
oleju
świeżego
w temp.
47°C;
[mm2/s]
6
70,09
75,42
2
Mobil 1
Vat Turbo Plus
Motoroil
Tedex
Universal
Castrol
Formula RS
3
5W-50
15W-40
8
+ 1,72
- 4,01
9
184
140
15W/40
SF/CC
74,86
71,59
- 3,27
130
10W-60
SJ/CF
120,72
109,19
- 11,53
179
5
6
7
8.
9
10
11
Mobil
Super Diesel
Lotos Syntetic
Lotos Semi
Syntetic
Lotos
Selektol
Specjal
Superol
Superol
Milvus
15W-40
CF/SJ
70,91
71,37
+ 0,46
137
5W/40
10W/40
SJ/CF/EC
SG/CD
67,30
75,94
62,09
69,23
- 5,21
- 6,71
165
150
15W/40
20W/40
SG/CD
SD
71,29
84,28
63,16
76,98
- 8,13
- 7,30
135
123
40
15/W40
CB
CC
105,18
77,62
84,03
74,66
- 21,05
-2,96
90
130
3. 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 601.23.901 stosowane są między innymi w powietrznym układzie
hamulcowym samochodów ciężarowych marki STAR.
Badania prowadzono zgodnie z normą zakładową ZN-92/MP/06-08075 – „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 dm3) 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 oC. 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
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 oC.
820
N [W]
800
780
760
740
720
700
680
ol-6
ol-5
ol-1
ol-8
ol-3
ol-2
ol-7
ol-11
ol-9
ol-10
ol-4
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= 0
1120
1100
1080
1060
1040
1020
1000
980
960
940
N [W]
ol-6
ol-5
ol-1
ol-8
ol-3
ol-2
ol-7
ol-11
ol-9
ol-10
ol-4
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= 0,2
1260
1240
1220
1200
1180
1160
1140
1120
1100
1080
N [W]
ol-6
ol-5
ol-1
ol-8
ol-3
ol-2
ol-7
ol-11
ol-9
ol-10
ol-4
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
1350
N [W]
1300
1250
1200
1150
1100
1050
ol-6
ol-5
ol-1
ol-8
ol-3
ol-2
ol-7
ol-11
ol-9
ol-10
ol-4
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= 0,6
1400
N [W]
1350
1300
1250
1200
1150
1100
ol-6
ol-5
ol-1
ol-8
ol-3
ol-2
ol-7
ol-11
ol-9
ol-10
ol-4
Rys. 8. Porównanie poborów mocy przez sprężarkę smarowaną 11-rodzajami olejów przy P= 0,8 [MPa] n= 2000
[obr/min]
Fig. 8. Comparision of the power input using pressure lubricating 11-kinds of oils at P= 0,8
5. Wnioski
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 oC od 67,3 mm2/s do 120,72 mm2/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
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 1/1999.
2. Baczewski K.: Badania właściwości reologicznych olejów roślinnych, Paliwa, Oleje i Smary w Eksploatacji, nr.58. 1998.
3. 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
1999.
230