Đề cương bài giảng nhiên liệu dầu mỡ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÀI GIẢNG HỌC PHẦN: NHIÊN LIỆU DẦU MỠ SỐ TÍN CHỈ: 02 LOẠI HÌNH ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ Hưng Yên - 2015 Tài liệu học tập môn: Nhiên liệu dầu mỡ Chương DẦU, MỠ BÔI TRƠN - DUNG DỊCH LÀM MÁT 3.1 Dầu bôi trơn 3.1.1 Khái niệm ma sát bôi trơn: a Ma sát: Ma sát kết nhiều dạng tương tác phức tạp khác nhau, có tiếp xúc dịch chuyển có xu hướng dịch chuyển hai vật thể, diễn trình cơ, lý, hoá, điện quan hệ trình phức tạp phụ thuộc vào đặc tính tải, vận tốc trượt, vật liệu môi trường - hệ số ma sát,  = f(p,v,C) N-tải trọng pháp tuyến C-điều kiện ma sát (vật liệu, độ cứng, độ bóng, chế độ gia công, môi trường) Công ma sát A chuyển hoá thành nhiệt Q lượng hấp phụ bề mặt E Các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số ma sát: + Tải trọng + Vận tốc + Vật liệu yếu tố khác: nhiệt độ, độ nhám bề mặt Phân loại ma sát: + Dựa vào động học chuyển động  Ma sát trượt  Ma sát lăn  Ma sát xoay Các dạng ma sát + Dựa vào tham gia chất bôi trơn  Ma sát ướt  Ma sát khô  Ma sát tới hạn Ma sát khô Khái niệm: Là ma sát mà hai vật rắn tiếp xúc trực tiếp với mà loại vật liệu bôi trơn bề mặt tiếp xúc Bộ môn: Công nghệ kỹ thuật Ôtô Trang 39 Tài liệu học tập môn: Nhiên liệu dầu mỡ Khi gia công chi tiết dù đạt độ xác cao bề mặt có độ mấp mô trình chuyển động tương đối hai chi tiết lắp ghép với chỗ mấp mô khớp vào tạo thành lực cản chuyển động vị trí tiếp xúc xảy tiếp xúc đàn hồi xuất biến dạng dẻo có cắt gọt lẫn làm cho chi tiết bị mài mòn Ta có công thức xác định lực ma sát khô Fmskhô = ftrượt.Ph Trong đó: ftrượt - Hệ số ma sát khô phụ thuộc vật liệu chế tạo trạng thái bề mặt tiếp xúc khô ráp hay nhẵn bóng Ph - Tải trọng tác dụng theo phương vuông góc với phương chuyển động Tác hại ma sát khô: Ma sát khô có tác hại làm tổn thất lượng, tăng nhiệt độ làm việc bề mặt chi tiết dẫn tới ôxy hoá phá huỷ bề mặt làm việc giảm công suất hữu ích dẫn đến giảm tuổi thọ máy Biện pháp hạn chế: Để hạn chế tác hại ma sát khô người ta áp dụng số biện pháp sau: Lắp vào hai bề mặt mặt ma sát chi tiết có hình dạng phù hợp gia công có độ xác cao để chuyển ma sát trượt thành ma sát lăn Ví dụ từ sử dụng bạc sang dùng vòng bi Hình thành trì bề mặt làm việc lớp vật liệu bôi trơn dạng lỏng dạng dẻo dầu bôi trơn mỡ Công thức xác định lực ma sát lăn Fmslăn = flăn Ph/r Trong đó: r - bán kính lăn c Ma sát ướt: Khái niệm: Là dạng ma sát mà hai bề mặt làm việc chi tiết ngăn cách với lớp dầu có chiều dầy lớn tổng chiều cao lớp mấp mô (chi tiết bôi trơn theo dạng gọi bôi trơn thuỷ động học) d Ma sát giới hạn: Khái niệm: Là bề mặt chi tiết có lớp dầu mỏng tồn tác dụng tương hỗ lực phân tử hai bề mặt kim loại, lớp dầu gắn chặt vào kim loại mà không chuyển động tự được, ma sát dạng gọi ma sát giới hạn Bộ môn: Công nghệ kỹ thuật Ôtô Trang 40 Tài liệu học tập môn: Nhiên liệu dầu mỡ Dầu bôi trơn có thành phần làm giảm ma sát, giảm mài mòn, tăng tuổi thọ chi tiết chúng sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực công nghiệp, giao thông 3.1.2 Phân loại công dụng yêu cầu chất lượng dầu bôi trơn: 3.1.2.1 Phân loại: Theo ngành sử dụng dầu bôi trơn chia làm nhóm: Nhóm 1: Dầu dùng cho động đốt trong, nhóm lại phân ra: dầu dùng cho động máy bay, động tàu thủy, dầu dùng cho động ô tô máy kéo (động xăng, động diesel) Nhóm 2: Dầu bôi trơn dùng cho hệ thống truyền động: hộp số, cầu Nhóm 3: Dầu dùng cho thiết bị công nghiệp: Máy gia công cắt gọt, thiết bị khác Nhóm 4: Dầu chuyên dùng: dầu biến thế, dầu tuốc bin 3.1.2.2 Công dụng: Dầu bôi trơn làm giảm ma sát chi tiết có chuyển động tương làm giảm tổn hao lượng ma sát sinh cách chuyển ma sát khô thành ma sát ướt Giảm độ mài mòn chi tiết có ngăn cách lớp dầu Làm mát chi tiết cách nhận nhiệt lượng toả từ bề mặt làm việc trao đổi nhiệt qua hệ thống làm mát trình chuyển động Làm kín khe hở chi tiết lắp ghép Bảo vệ bề mặt chi tiết tránh tiếp xúc trực tiếp với chất gây ôxy hoá với nước, với môi trường Làm bề mặt bôi trơn nhờ rửa trôi cặn bẩn mạt kim loại Làm chất lỏng công tác truyền động thuỷ lực Ngoài môi trường cách điện số thiết bị, linh kiện 3.1.2.3 Yêu cầu: Dầu phải có nhiệt độ đông đặc thấp, có độ nhớt định, có ổn định lý hóa, tác dụng ăn mòn kim loại nhỏ nhất, không lẫn tạp chất học nước 3.1.3 Tính chất dầu bôi trơn: 3.1.3.1 Nhiệt độ đông dặc phương pháp giảm nhiệt độ đông đặc: Xác định nhiệt độ đông đặc dầu giống với nhiên liệu diesel Khi làm lạnh tới nhiệt độ dầu tính lưu động Khi dầu tính lưu động tăng tổn thất lượng động cơ, dầu không giữ vai trò Do đó, yêu cầu nhiệt độ đông đặc dầu phải thấp Bộ môn: Công nghệ kỹ thuật Ôtô Trang 41 Tài liệu học tập môn: Nhiên liệu dầu mỡ Trong sản xuất, người ta thực nhiều biện pháp nhằm giảm nhiệt độ đông đặc dầu như: + Pha thêm vào dầu chất phụ gia + Tách hydrocacbon có nhiệt độ sôi cao dụng cụ chuyên dùng Trong hai phương án phương án có hiệu cao ứng dụng phổ biến ngày 3.1.3.2 Độ nhớt dầu bôi trơn: Độ nhớt dầu nhiệt độ làm việc: Dầu bôi trơn có độ nhớt xác định nhiệt độ làm việc Khi nhiệt độ thay đổi, yêu cầu độ nhớt dầu bôi trơn thay đổi phạm vi hẹp Dầu có độ nhớt thấp dễ dàng bị ép khỏi khe hở chi tiết dẫn đến bề mặt làm việc tiếp xúc trực tiếp với làm tăng nhanh mài mòn Ngược lại, độ nhớt cao làm tăng tổn hao lượng Nhiệt độ làm việc cac cấu tổng thành khác nhau, yêu cầu độ nhớt khác nhau, ví dụ: + Trong đa số thiết bị công nghiệp nhiệt độ làm việc khoảng 500C, tiêu chuẩn dầu công nghiệp thiết phải cho độ nhớt 500C + Trong động ô tô máy kéo, nhiệt độ làm việc thấp cácte, trục khuỷu 1000C + Trong phận truyền động: hộp số, cầu nhiệt độ làm việc khoảng 1000C Do độ nhớt dầu truyền động độ nhớt 1000C Độ nhớt dầu bôi trơn phù hợp với kêt cấu điều kiện làm việc động ô tô máy kéo 5~15 cst 1000C Ảnh hưởng nhiệt độ tới độ nhớt dầu bôi trơn: Trong điều kiện sử dụng khác nhau, độ nhớt dầu khác Khi điều kiện làm việc động chuyển từ mùa đông sang mùa hè chuyển từ chế độ tải nặng sang chế độ tải nhẹ làm cho độ nhớt dầu thay đổi Vì vậy, độ nhớt dầu cần phải quy định cho nhiệt độ thay đổi độ nhớt dầu không thay đổi lớn so với quy định Nói chung ta thấy nhiệt độ tăng độ nhớt giảm Tính chất độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ biểu thị tiêu: Đặc tính độ nhớt theo nhiệt độ Người ta dùng tỷ số độ nhớt dầu nhiệt độ khác để đánh giá đặc tính độ nhớt nhiệt độ dầu Đối với dầu dùng cho động cho phép dùng tỷ số: độ nhớt 500C với độ nhớt 1000C Tỷ số nhỏ dầu tốt (đối với dầu lý tưởng tỷ số 1) Bộ môn: Công nghệ kỹ thuật Ôtô Trang 42 Tài liệu học tập môn: Nhiên liệu dầu mỡ Độ nhớt dầu có ảnh hưởng tới khả khởi động động Dựa kết thí nghiệm người ta xác định rằng: muốn khởi động động dễ dàng không bị mài mòn nhiều (kể hâm nóng) đạt điều kiện độ nhớt dầu bôi trơn không vượt giá trị giới hạn 104 cst, động ô tô Người ta vào giá trị độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ, để xác định nhiệt độ nhỏ khởi động động cơ, ví dụ: dầu AK3n-6 có độ nhớt 104 cst -350C Vậy nhiệt độ thấp khởi động động dùng loại dầu 350C Đặc điểm loại dầu hóa đặc: Để sử dụng dầu bôi trơn tốt điều kiện nhiệt độ thay đổi người ta thường pha thêm vào dầu chất hóa đặc Đó chất lấy từ dầu mỏ có độ nhớt thấp Sử dụng phổ biến chất pôly iso butilen có trọng lượng phân tử giới hạn 10000~20000 Đặc điểm dầu hóa đặc là: nhiệt độ thấp có độ nhớt nhỏ 3-4 lần so với độ nhớt dầu ô tô bình thường Còn nhiệt độ cao chúng lại có độ nhớt giống Do đó, dầu hóa đặc tạo điều kiện khởi động động dễ mùa đông đảm bảo bôi trơn bình thường bề mặt nhiệt độ làm việc Độ nhớt dầu tiêu quan trọng nên ghi ký hiệu dầu 3.1.3.3 Tính ổn định dầu, tính ăn mòn kim loại, tạp chất học dầu bôi trơn: a Tính ổn định dầu: Là khả bảo toàn thành phần, tính chất toàn trình sử dụng Tính ổn định thường chia ổn định vật lý ổn định hóa học Tính ổn định vật lý: gắn với thay đổi trạng thái dầu tác dụng trình biến đổi vật lý bay hơi, đông đặc, hút ẩm Tính ổn định hóa học: gắn với trình biến đổi hóa học thành phần có mặt dầu Các trình biến đỏi hóa học quan trọng bao gồm ôxy hóa pôlyme hóa - Mức độ ổn định dầu sử dụng, bảo quản phụ thuộc vào thành phần hóa học dầu, điều kiện làm việc mức độ tác động yếu tố liên quan nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, nước, chất xúc tác Bộ môn: Công nghệ kỹ thuật Ôtô Trang 43 Tài liệu học tập môn: Nhiên liệu dầu mỡ - Khi sử dụng trực tiếp cụm chi tiết máy, dầu chịu tác động nhiều nhiệt độ làm việc Nhiệt độ cao phản ứng ôxy hóa thành phần xảy nhanh sản phẩm tạo phản ứng nhiều b Tính ăn mòn kim loại: Bản thân dầu nhờn có tính ăn mòn thấp tiếp xúc với kim loại tỷ lệ thành phần có hoạt tính cao, gây ăn mòn kim loại hình thành sau thời gian bảo quản điều kiện sử dụng trực tiếp cụm chi tiết Các loại dầu động sau thời gian sử dụng thường có tính ăn mòn cao, đặc biệt động diesel nguyên nhân lượng SO2, SO3 tạo thành đốt cháy nhiên liệu bị lọt lại phần xuống đáy dầu hòa trộn với dầu sau kết hợp với nước tạo thành axít tương ứng SO2 + H2O = H2SO3 SO3+ H2O = H2SO4 Các axít có tính ăn mòn miếng kim loại (đồng, chì) việc hạn chế tính ăn mòn dầu thường đạt cách chọn thành phần dầu sử dụng phụ gia (các chất ức chế ăn mòn) Để đánh giá lượng axit có dầu, người ta đưa tiêu số mg KOH để trung hòa hết số lượng axit naptenic có 1g dầu Đối với dầu dùng cho động xăng, lượng KOH cho phép từ 0,1 ~ 0,25 mg KOH cho gam dầu nhờn AK-15, động diesel lượng KOH không vượt 0,15mg KOH gam dầu c Tạp chất học, nước có dầu bôi trơn: Hàm lượng nước lượng nước tính phần trăm (%) so với khối lượng dầu, nước lẫn vào dầu làm thay dổi nhiều chất lượng dầu Với hàm lượng nước từ 100 ppm làm độ cách điện dầu giảm rõ rệt Hàm lượng nước lớn làm giảm khả bôi trơn dầu, làm tăng tính ăn mòn kim loại, xúc tiến trình ô xy hóa, phân hủy loại phụ gia làm tăng trình tạo muội, mài mòn xéc măng, bạc lót cổ trục Hàm lượng nước dầu đến 2% đánh giá có vết nước dầu Quy định hàm lượng nước không vượt không phép 0,025% hàm lượng học không vượt vài phần nghìn Bộ môn: Công nghệ kỹ thuật Ôtô Trang 44 Tài liệu học tập môn: Nhiên liệu dầu mỡ 3.1.3.4 Tính chất đặc biệt dầu bôi trơn động cơ: Điều kiện làm việc dầu bôi trơn: Dầu bôi trơn động làm việc điều kiện khắc nghiệt: áp suất đạt 100kG/cm2, nhiệt độ đạt tới 20000C Theo nhiệt độ động chia làm phần sau: + Vùng nhiệt độ cao: chi tiết tạo thành buồng cháy động cơ, đỉnh piston 4000C, xupáp xả 8000C + Vùng nhiệt độ trung bình bao gồm tất phần bao xung quanh piston, xécmăng, đầu nhỏ truyền thành xylanh Nhiệt độ lớn vùng đạt 3000 ~ 3500 + Vùng nhiệt độ thấp bao gồm trục khuỷu, cácte nhiệt độ lớn vùng đạt 1800C Ảnh hưởng nhiệt độ đến ổn định vật lý dầu: Ở vùng nhiệt độ thấp trung bình, nhiệt độ tăng dầu nhờn có khả bốc mạnh làm cho tính chất vật lý dầu ổn định Kết hàm lượng dầu bôi trơn hệ thống giảm, chất lượng dầu Để giảm mức tiêu hao thay đổi tính chất dầu trình làm việc cần thiết phải chọn dầu phù hợp với điều kiện làm việc cụ thể theo khả bay (theo thành phần chưng cất) Nhưng xác định thành phần chưng cất phức tạp, để đơn giản người ta xác định nhiệt độ bốc cháy dầu (Nhiệt độ bốc cháy nhiệt độ nhỏ mà dầu bốc cháy gặp lửa) Dựa vào nhiệt độ bốc cháy, phán đoán tính bay dầu thành phần nhẹ dầu bôi trơn Nhiệt độ bốc cháy cao, tính bay dầu nhỏ độ ổn định vật lý dầu tốt Dầu nhờn vùng có nhiệt độ cao động cơ: Trong trình động làm việc, phần dầu bôi trơn bị đốt tạo thành muội than, nhựa Chúng bám lên bề mặt chi tiết: Piston, Xéc măng, Bugi làm giảm khả truyền nhiệt chi tiết, làm ngắn mạch bugi, tăng khả cháy kích nổ động xăng Như vùng nhiệt độ cao, dầu khả bôi trơn mà làm xấu khả công tác động Dầu nhờn vùng có nhiệt độ trung bình động cơ: Ở vùng nhiệt độ trung bình dầu có tác dụng bôi trơn giảm ma sát, giảm mài mòn, làm kín piston xylanh ngăn cản khí cháy lọt xuống cácte Bộ môn: Công nghệ kỹ thuật Ôtô Trang 45 Tài liệu học tập môn: Nhiên liệu dầu mỡ Ở vùng nhiệt độ dầu tạo thành màng mỏng bề mặt chi tiết Khi nóng đến 2000C - 3000C dầu bị cháy Trong điều kiện cácbuahydro bị ôxy hóa tạo nhựa, làm kẹt xéc măng làm lọt khí xuống cácte làm loãng dầu nhờn Biện pháp chống tạo nhựa nâng cao tính ổn định hóa học cách pha thêm vào chất phụ gia chống ôxy hóa Dầu nhờn vùng nhiệt độ thấp động cơ: Ở vùng nhiệt độ này, dầu nhờn bay hơi, dầu có lẫn hàm lượng nhỏ xăng diesel loại nhiên liệu mà có hàm lượng lưu huỳnh lớn, gây loãng dầu nhờn, đồng thời axit hữu có tác dụng ăn mòn mạnh, đặc biệt axit napten hoạt động mạnh nhiệt độ thấp Đặc biệt bạc lót làm hợp kim Đồng - Chì ăn mòn axit lại mạnh Do vậy, để ngăn chặn tượng dầu phải pha thêm chất phụ gia chống ăn mòn 3.1.4 Dầu bôi trơn dùng Ôtô: 3.1.4.1 Dầu bôi trơn dùng cho động đốt trong: Ý nghĩa việc phân cấp: Dầu bôi trơn kỹ thuật bôi trơn có vai trò quan trọng để trì hoạt động tuổi thọ động Do có vô số loại động với kích thước điều kiện sử dụng khác nên yêu cầu bôi trơn khác Từ hàng loạt chủng loại dầu bôi trơn động nghiên cứu thương mại hóa nhằm đáp ứng yêu cầu sử dụng Các loại dầu gốc nhiều loại phụ gia thích hợp sử dụng để đạt tính chất lý hóa tính sử dụng động Việc dùng dầu chủng loại giúp cho động cơ: + Kéo dài tuổi thọ động + Tăng thời gian sử dụng dầu + Giảm mức tiêu hao nhiên liệu Phân cấp: a Phân cấp theo độ nhớt SAE: Hiệp hội kỹ sư ô tô Hoa Kỳ SAE đưa hệ thống phân cấp dầu động theo độ nhớt, áp dụng phổ biến toàn giới Theo tiêu chuẩn dầu phân cấp theo độ nhớt 1000C -180C Trong hệ thống phân cấp dầu nhờn chia làm hai loại: Nhóm chữ W (được dùng nhiệt độ thấp) nhóm chữ W (được dùng nhiệt độ cao hơn) việc phân loại dựa sở độ nhớt động học đo cst 1000ºC Bộ môn: Công nghệ kỹ thuật Ôtô Trang 46 Tài liệu học tập môn: Nhiên liệu dầu mỡ Cấp độ nhớt Độ nhớt 0ºC, mPa.s, max SAE Khởi động 0W Độ nhớt 1000ºC.cSt Khả bơm Thấp Cao 3250 - 30 3,8 - 5W 3500 - 25 3,8 - 10W 3500 - 20 4,1 - 15W 3500 - 15 30000 - 35 5,6 - 20W 4500 - 10 30000 - 30 5,6 - 25W 6000 - 30000 - 25 9,3 - 20 - 30000 - 20 5,6 Zn > Pb - Tính chịu nước Pb > Ca > Li > K > Na - Độ nhớt ổn định hóa học Li > Na > Ca > Al Ảnh hưởng gốc axit béo Bản chất gốc axit béo xà phòng định tới khả làm đặc, tính ổn định hóa học, ổn định cấu trúc ổn định nhiệt mỡ Độ ổn định cấu trúc mỡ nhờn phụ thuộc chủ yếu vào độ tan xà phòng dầu Độ tan phụ thuộc vào chất xà phòng dầu nhờn hòa tan Độ tan xà phòng dầu nhờn tăng theo chiều dài mạch cacbon gốc axit tạo xà phòng Xà phòng với gốc axit béo có mạch cacbon nhỏ 16 khó có khả tạo mỡ mỡ tạo thành nhiệt độ cao Nguyên loại xà phòng tan dầu Xà phòng với gốc axit béo có mạch cacbon lớn 18 tan tốt dầu, nên có khả tạo mỡ tốt, mạch cacbon dài nên tính ổn định hóa học mỡ Kết thực tế cho thấy, xà phòng có gốc axit béo với mạch cacbon từ 16 đến 18 thích hợp với việc tạo cấu trúc cho mỡ đảm bảo chất lượng cho mỡ thành phẩm Ngoài số nguyên tử cacbon mạch cấu tạo mạch cacbon gốc axit ảnh hưởng tới tính chất mỡ Xà phòng gốc axit no dễ làm đặc mỡ, mỡ tạo có tính ổn định nhiệt ổn định oxy hóa tốt Ngược lại xà phòng không no (có liên kết đôi mạch cacbon) khó làm đặc mỡ, mỡ tạo có tính chịu nhiệt oxy hóa b Ảnh hưởng yếu tố khác Ảnh hưởng dầu nhờn Dầu nhờn chiếm tỷ lệ cao hợp phần mỡ, tính chất dầu ảnh hưởng rõ rệt đến hình thành tính chất mỡ Bộ môn: Công nghệ kỹ thuật Ôtô Trang 60 Tài liệu học tập môn: Nhiên liệu dầu mỡ Dầu nhờn dùng để sản xuất mỡ cần có độ nhớt động học thích hợp, trung bình vào khoảng 10 - 50 cst 500C Dầu có độ nhớt lớn bé khó tạo thành khung cấu trúc cho mỡ, nên chất lượng mỡ tạo thành không tốt Dầu có gốc parafin tạo mỡ nhờn có tính ổn định nhiệt oxy hóa cao Dầu nhờn có số độ nhớt cao tạo loại mỡ nhờn mềm mịn Ngoài yêu cầu dầu nhờn có độ dính bám, tính chống ăn mòn kim loại, tính bôi trơn tốt chất lượng mỡ nhờn tạo thành cao Ảnh hưởng chất ổn định cấu trúc Việc thêm vào mỡ nhờn thành phần cấu tử thứ với vai trò ổn định cấu trúc cần thiết chất ổn định cấu trúc thường là: Nước, rượu, glyxêrin phênolamin Các chất có khả làm tăng độ tan xà phòng dầu nhờn Do làm bền liên kết xà phòng dầu nhờn tạo cấu trúc tốt cho mỡ Ví dụ: Với mỡ xà phòng canxi lượng nước 3% có tác dụng ổn định cấu trúc mỡ lớn 3% làm cấu trúc mỡ Ảnh hưởng phụ gia chất độn Người ta thường pha vào mỡ nhờn số loại phụ gia để cải thiện chất lượng mỡ Thông thường có loại phụ gia chống oxy hóa, chống xước, chống mài mòn, chống ăn mòn… Việc dùng phụ gia trường hợp phải tính đến ảnh hưởng chúng tính chất tầng loại mỡ Ví dụ: Đối với mỡ có phản ứng kiềm yếu nên dùng hợp chất amin làm phụ gia chống oxy hóa Mỡ có phản ứng axit lại phải chọn phụ gia gốc phenol Ảnh hưởng lượng kiềm tự axit béo không xà phòng hóa Trong mỡ gốc xà phòng có lượng kiềm tự