xác định
Trong thời gian sử dụng, dầu phải đảm nhiệm các chức năng nh− đ? đ−ợc đề cập và phải chịu tác động của các yếu tố nh−:
- Nhiệt độ ở các bộ phận khác nhau. - ảnh h−ởng của tải trọng.
- Tiếp xúc với oxy không khí.
- ảnh h−ởng xúc tác của các bề mặt kim loại.
- Nhiễm bẩn do nhiên liệu, các sản phẩm cháy, bụi bẩn, n−ớc…
Vì vậy trong quá trình sử dụng, dầu động cơ th−ờng đ−ợc phân tích đánh giá theo các tính chất hóa - lý sau:
+ Độ nhớt động học + Chỉ số độ nhớt
+ Trị số kiềm tổng + Nhiệt độ chớp cháy + Hàm l−ợng n−ớc + Hàm l−ợng cặn + Hàm l−ợng kim loại + Hàm l−ợng tro sunfat
+ Khối l−ợng riêng
1.4.1 Độ nhớt - ASTM D 445
Độ nhớt là một chỉ tiêu quan trọng và cơ bản của dầu bôi trơn, nó là một tính chất quyết định độ dày màng dầu, nó làm giảm ma sát và mài mòn giữa hai bề mặt tiếp xúc. Nó có ảnh h−ởng đến độ khít, tổn hao công ma sát, khả năng chống mài mòn, khả năng chống tạo cặn, khả năng làm mát các chi tiết làm việc… Trong động cơ, độ nhớt đóng vai trò quyết định l−ợng tiêu hao nhiên liệu, khả năng tiết kiệm dầu và hoạt động của động cơ. Đối với một số loại động cơ, đặc biệt là động cơ ôtô cũng ảnh h−ởng tới khởi động và tốc độ trục khuỷu. Độ nhớt quá cao sẽ làm giảm tốc độ của trục và do đó làm tăng l−ợng nhiên liệu tiêu hao (kể cả sau khi động cơ đ? khởi động). Độ nhớt quá thấp sẽ dẫn tới chóng mài mòn và tăng l−ợng tiêu hao dầu. Vì vậy cần phải chọn độ nhớt phù hợp với từng động cơ và điều kiện hoạt động của chúng. Vì vậy độ nhớt đ−ợc lấy làm cơ sở cho hệ thống phân loại dầu nhờn (Theo cấp độ nhớt SAE).
Độ nhớt là số đo khả năng chống lại sự chảy của dầu nhờn, đ−ợc xác định bằng tỷ số giữa ứng suất tr−ợt và tốc độ tr−ợt. ứng suất tr−ợt là lực tr−ợt trên một đơn vị diện tích vuông góc với ph−ơng thẳng đứng. Tốc độ tr−ợt là sự chênh lệch tốc độ trên một đơn vị khoảng cách theo ph−ơng thẳng đứng.
Nói chung các ph−ơng tiện tải trọng nặng, tốc độ thấp thì sử dụng các dầu bôi trơn có độ nhớt cao. Ng−ợc lại những ph−ơng tiện tải trọng nhẹ, tốc độ cao thì dùng dầu có độ nhớt thấp.
Các nguyên nhân làm thay đổi độ nhớt dầu động cơ trong khi động cơ hoạt động hết sức đa dạng. Có hai dạng thay đổi độ nhớt liên quan đến sự mất độ nhớt của các loại dầu chứa phụ gia polyme. Dạng thứ nhất là sự mất độ nhớt tạm thời do tính chất của dòng chảy không Newton. Dạng thứ hai là sự mất độ nhớt vĩnh viễn do các phân tử polyme trong phụ gia cải thiện chị số độ nhớt bị bẻ gẫy thành các phần tử nhỏ hơn. Cũng có hai quá trình bẻ gẫy polyme: bẻ gẫy do oxy hóa và bẻ gẫy do nhiệt. Các quá trình này cũng dẫn đến sự thay đổi độ nhớt vĩnh viễn vì chúng không có tính thuận nghịch.
Bảng 4: Những thay đổi độ nhớt có khả năng xảy ra đối với dầu động cơ trong quá trình hoạt động:
Nguyên nhân của sự thay đổi độ nhớt ảnh h−ởng tới độ nhớt
ứng suất tr−ợt của các loại dầu không Newton Phân hủy các phụ gia polyme
Dầu bị bay hơi Dầu bị lẫn nhiên liệu
Quá trình oxy hóa các thành phần dầu gốc Dầu bị lẫn n−ớc Dầu chứa bồ hóng Giảm độ nhớt Giảm độ nhớt Tăng độ nhớt Giảm độ nhớt Tăng độ nhớt Tăng độ nhớt Tăng độ nhớt * Quy trình xác định độ nhớt khi dùng nhớt kế mao quản:
- Chọn nhớt kết phù hợp với độ nhớt của dầu sao cho tốc độ chảy khoảng 200 giây. - Nạp vào dụng cụ đo (nhớt kế) một l−ợng dầu thích hợp.
- Để ổn định nhiệt tại một nhiệt độ nhất định trong khoảng thời gian (30 phút), dùng đồng hồ bấm giây đo thời gian chảy của l−ợng dầu trên từ vạch này đến vạch kia của dụng cụ đo, phụ thuộc vào hằng số nhớt kế (k) ta tính đ−ợc độ nhớt động học của dầu theo công thức sau đây:
ν = k.t (7) Trong đó:
ν: độ nhớt động học (cSt); k: hằng số nhớt kế (cSt/s); t: thời gian chảy (s).
1.4.2 Chỉ số độ nhớt – ASTM D 2270
Chỉ số độ nhớt (VI) là một chỉ số chuyên dùng để đánh giá sự thay đổi độ nhớt của dầu bôi trơn theo nhiệt độ. Thông th−ờng khi nhiệt độ tăng độ nhớt sẽ giảm. Dầu nhờn đ−ợc coi là dầu bôi trơn tốt khi độ nhớt của nó ít bị thay đổi theo nhiệt độ, đây là loại dầu có độ nhớt cao (các loại dầu naphten). Ng−ợc lại nếu độ nhớt thay đổi nhiều theo nhiệt độ, có nghĩa là dầu đó có chỉ số độ nhớt thấp (các loại dầu parafin).
Chỉ số VI là một giá trị bằng số đánh giá sự thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ dựa trên cơ sở so sánh khoảng thay đổi t−ơng đối về độ nhớt của hai loại dầu chọn lọc chuyên dùng, hai loại dầu này khác biệt nhau rất lớn về chỉ số độ nhớt VI.
Hình 4. Sự thay đổi độ nhớt của dầu bôi trơn theo nhiệt độ. Trong đó:
L - độ nhớt của dầu có VI = 0 (dầu có VI thấp – dầu naphten) H - độ nhớt của dầu có VI = 100 (dầu có VI cao – dầu parafin) U - độ nhớt của dầu cần phải tính chỉ số độ nhớt
Dựa vào độ nhớt động học ở 400C và 1000C của từng loại dầu để tính chỉ số độ nhớt (VI) t−ơng ứng của chúng theo tiêu chuẩn ASTM D 2270. Tiêu chuẩn này đ−a ra hai cách xác định: cách thứ nhất áp dụng cho các sản phẩm dầu mỏ có giá trị VI < 100; cách thứ hai áp dụng cho các sản phẩm dầu mỏ có VI > 100. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đ ộ nh ớt đ ộn g họ c Nhiệt độ, oC 40 100 L (VI = 0) H (VI =100) U
+ Cách thứ nhất:
Chỉ số độ nhớt VI đ−ợc tính theo công thức sau:
( ) ( )100 H L U L VI − − = (2) Trong đó:
L – độ nhớt động học ở 400C của một loại dầu có VI = 0 và có cùng độ nhớt động học ở 1000C với dầu mà ta cần tính VI, cSt;
U – độ nhớt động học ở 400C của dầu ta cần phải tính chỉ số độ nhớt, mm2/s; H- độ nhớt động học học ở 400C của một loại dầu có VI = 100 và có cùng độ nhớt động học ở 100oC với dầu mà ta cần tính VI, cSt;
Nếu độ nhớt động học của dầu ở 1000C nhỏ hơn hay bằng 70 cSt thì các giá trị t−ơng ứng của L và H cần phải tra bảng trong ASTM D 2270.
Nếu độ nhớt động học ở 1000C lại nhỏ hơn 70 cSt, thì giá trị L và H đ−ợc tính nh− sau:
L = 0,8353 Y2 + 14,67 Y – 216 (3) H = 0,1684 Y2 + 11,85 Y – 97 (4) H = 0,1684 Y2 + 11,85 Y – 97 (4)
Với Y là độ nhớt động học ở 1000C của dầu tính chỉ số độ nhớt, cSt. + Cách tính thứ hai: Chỉ số độ nhớt đ−ợc tính theo công thức sau:
VI = [ (antilogN – 1)/0,00715] + 100 (5) Trong đó N = (logH – logU)/logY (6) Giá trị H đ−ợc tính nh− ở cách tính thứ nhất.
Ngoài ra, ở các bảng trong tiêu chuẩn ASTM DS 39B cho phép đọc trực tiếp chỉ số độ nhớt của các loại dầu mỏ.
Dựa vào chỉ số độ nhớt ng−ời ta có thể lựa chọn loại dầu thích hợp với điều kiện làm việc của máy. Trong nhiều tr−ờng hợp, nếu nhiệt độ của máy ít thay đổi thì ng−ời ta cũng ít quan tâm đến chỉ số độ nhớt. Còn trong tr−ờng hợp nhiệt độ chạy máy thay đổi trong một khoảng rộng, nh− động cơ ôtô, thì cùng với tính năng khác, chỉ số độ nhớt cũng rất đ−ợc coi trọng.
Để nâng cao chỉ số độ nhớt của dầu trong điều kiện nhất định, ng−ời ta hoặc pha thêm vào dầu khoáng phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt, hoặc sử dụng những loại dầu gốc tổng hợp hoặc bán tổng hợp.
Trong quá trình sử dụng dầu có biểu hiện thay đổi chỉ số độ nhớt thì đó là do dầu bị nhiễm bẩn bởi có lẫn sản phẩm khác. Đôi khi, quá trình oxy hóa là nguyên nhân làm tăng chỉ số độ nhớt trong quá trình sử dụng. Việc giảm chỉ số VI cũng có thể do có những lực phá vỡ cấu trúc phân tử của các phụ gia polyme có mặt trong
1.4.3 Điểm chớp lửa - ASTM D 92
Điểm chớp lửa của dầu đ−ợc định nghĩa là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó dầu đ−ợc nung nóng bốc lên tạo với không khí một hỗn hợp khí đủ để lóe cháy một lát khi ngọn lửa đ−a vào. Nhiệt độ thấp nhất mà ở đó hơi dầu nung nóng bốc lên tạo với không khí đủ để cháy liên tục trong 5 giây khi có ngọn lửa đi vào trong điều kiện của ph−ơng pháp thử tiêu chuẩn đ−ợc gọi là điểm bắt cháy.
Điểm chớp lửa và điểm bắt cháy của dầu mới thay đổi theo độ nhớt. Dầu có độ nhớt cao sẽ có điểm chớp lửa và bắt cháy cao hơn. Thông th−ờng thì điểm chớp lửa và điểm bắt cháy của dầu phụ thuộc vào loại dầu thô. Dầu naphten th−ờng có điểm chớp lửa và điểm bắt cháy thấp hơn dầu parafin có cùng độ nhớt. Quy luật chung là đối với các hợp chất t−ơng tự nhau thì điểm chớp lửa và điểm bắt cháy sẽ tăng khi trọng l−ợng phân tử tăng. Th−ờng điểm bắt cháy cao hơn điểm chớp lửa khoảng 30oC. Dầu nhờn th−ờng đ−ợc xác định điểm chớp lửa cốc hở theo ASTM D 29 và cốc kín theo ASTM D 93.
Dầu mới có điểm chớp lửa thấp hơn giá trị mà nó cần phải có, thì đó là dấu hiệu của sự có mặt loại dầu có độ nhớt thấp, có phân đoạn nhẹ, dung môi dễ bay hơi hay xảy ra quá trình cracking dầu, do làm việc ở
nhiệt độ cao. Điểm chớp lửa có giá trị cao hơn trung bình báo hiệu sự pha trộn dầu có độ nhớt cao hơn.
* Quy trình xác định:
Đổ một l−ợng dầu theo mức cho phép, đặt vào máy đo độ chớp cháy, nối máy với bình ga, sau đó chỉnh ngọn lửa có đ−ờng kính 3,2 đến 4,8 mm và điều chỉnh nhiệt độ của mẫu sao cho từ 14oC đến 170C /phút. Khi nhiệt độ của mẫu thấp hơn điểm chớp lửa dự đoán 560C giảm tốc độ xuống còn 5-60C /phút, cho đến khi nhiệt độ dự đoán xuống còn 28oC thì giảm xuống 20C châm
lửa 1 lần. Cứ thế cho đến khi phát hiện và kết thúc nhiệt độ chớp chớp cháy.
1.4.4 Điểm đông đặc - ASTM D 97
Điểm đông đặc là nhiệt độ thấp nhất mà ở đó dầu bôi trơn giữa đ−ợc tính linh động ở điều kiện đ? cho. Đây là chỉ tiêu cho biết tính chất chảy ở nhiệt độ thấp, xác định tính linh động của dầu nhờn. Khi nhiệt độ giảm xuống thì độ nhớt của dầu tăng lên đột ngột làm cho tính linh động giảm. Khi đạt tới nhiệt độ động đặc nó sẽ đông đặc lại hoặc không chảy đ−ợc lâu d−ới tác dụng của trọng lực.
Hầu hết dầu nhờn đều chứa một số sáp không tan và khi dầu đ−ợc làm lạnh, những sáp này bắt đầu tách ra ở dạng tinh thể đan cài với nhau tạo thành một cấu trúc cứng, giữ dầu ở trong các túi nhỏ của các cấu trúc đó. Khi cấu trúc tinh thể của sáp này tạo thành đầy đủ thì dầu không luân chuyển đ−ợc nữa. Để giảm nhiệt độ đông đặc ng−ời ta dùng phụ gia hạ nhiệt độ đông đặc.
Đối với một số loại dầu không chứa sáp, độ nhớt của chúng tăng lên khi nhiệt độ giảm đi và đến một nhiệt độ nào đó thì dầu mất tính linh động. Ng−ời ta không thể dùng phụ gia hạ điểm đông đặc để hạ thấp nhiệt độ đông đặc của các loại dầu này vì các phụ gia đó chỉ có tác dụng ngăn cản sự lớn lên và bao bọc của cấu trúc tinh thể sáp. Chính vì vậy một số loại dầu không chứa sáp thì có điểm đông đặc giới hạn.
Điểm đông đặc cho biết giới hạn thấp nhất mà dầu có thể sử dụng đ−ợc. * Quy trình xác định:
Tr−ớc tiên ng−ời ta phải đun nóng mẫu lên đảm bảo cho các cấu tử trong dầu tan hoàn toàn, sau đó làm lạnh theo tốc độ quy định, cứ sau 3 phút lại kiểm tra tính linh động của dầu một lần. Kết quả nhiệt độ đông đặc của dầu đ−ợc xác định là lấy nhiệt độ mà tại đó dầu không linh động nữa khi ta nghiêng bình đựng nó trong 5 giây, sau đó cộng thêm 30C.
1.4.5 Trị số kiềm tổng TBN - ASTM D 2896 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Độ kiềm trong dầu nhờn đ−ợc biểu thị bằng trị số kiềm tổng (TBN) , cho biết l−ợng axit clohydric hay percloric, đ−ợc quy chuyển sang KOH t−ơng đ−ơng cần thiết để trung hòa hết các hợp chất mang tính kiềm có mặt trong 1g mẫu.
Hiện nay, nhiều loại phụ gia sử dụng nhằm nâng cao phẩm chất dầu bôi trơn. Các hợp chất đ−ợc coi là có tính kiềm bao gồm: các chất kiềm vô cơ và hữu cơ, các muối của các kim loại nặng, các phụ gia, đặc biệt là các phụ gia đ−ợc dùng trong điều kiện khắc nghiệt, nh− phụ gia tẩy rửa… Rất nhiều loại phụ gia hiện nay sử dụng cho dầu động cơ có chứa các hợp chất kiềm, nhằm trung hòa các sản phẩm axit của quá trình cháy, l−ợng tiêu tốn các thành phần kiềm này là một chỉ số về tuổi thọ sử dụng của dầu.
Dầu có độ kiềm cao thì khả năng chống ăn mòn tốt. Khi TBN giảm đến một giá trị giới hạn nào đó thì dầu động cơ cần phải đ−ợc thay mới. Khi độ kiềm quá thấp hay không còn thì dầu không có khả năng bảo vệ các chi tiết động cơ khỏi ăn mòn.
Ph−ơng pháp ASTM D 2896 th−ờng đ−ợc dùng để xác định các hợp chất kiềm trong các sản phẩm dầu mỏ.
- Cân một l−ợng mẫu theo quy định phụ thuộc vào l−ợng TBN dự đoán:
L−ợng mẫu m(g) = 10/TBN dự đoán. - Lần l−ợt cho 40 ml Cloruabenzen và 20 ml axit acetic vào mẫu
- Đ−a mẫu lên máy đ? nạp số liệu sẵn và chờ máy chạy đến kết thúc quy trình chuẩn độ, máy sẽ tự động cho kết quả.
1.4.6 Hàm l−ợng tro sunfat - ASTM D 847
Tro sunfat là phần cặn còn lại sau khi than hóa mẫu, sau đó phần cặn đ−ợc xử lý bằng H2SO4 và nung nóng đến khối l−ợng không đổi. Hàm l−ợng tro sunfat dùng để chỉ nồng độ phụ gia chứa kim loại trong dầu mới.
Ph−ơng pháp này chỉ xác định hàm l−ợng tro sunfat thấp tới 0,005% đối với dầu chứa phụ gia và không áp dụng cho dầu động cơ phế thải, dầu chứa chì, dầu không có phụ gia.
Th−ờng hàm l−ợng tro sunfat liên quan đến trị số kiềm của dầu động cơ. Nói chung hàm l−ợng tro sunfat lớn thì giá trị trị số kiềm lớn và ng−ợc lại. Hàm l−ợng tro sunfat là gồm có tro của các phụ gia đ−a vào để làm tăng tính năng của dầu, còn khi ta thấy l−ợng tro tăng quá mức thì đó là do sự có mặt của các tạp chất nh− các chất bẩn, cặn do mài mòn và các loại tạp khác.
L−ợng phụ gia cho vào dầu nhờn có khi lên tới 20% khối l−ợng và các phụ gia đó th−ờng là sunfunat, phenolat, salisilat của các kim loại kiềm (Ba, Ca, Na…). Điều này giải thích vì sao hàm l−ợng tro sunfat của dầu động cơ cao.
* Quy trình xác định:
Nung chén sứ ở nhiệt độ 700 - 8000C trong khoảng 30ữ45 phút, để nguội trong bình hút ẩm đến nhiệt độ phòng (khoảng 45 phút) và cân với độ chính xác tới 0,1 mg. Cân chính xác l−ợng mẫu thử (khoảng 5 - 10g) vào chén nung đ? có giấy lọc băng xanh không tro làm lót chén, sau đó dùng đúng giấy lọc đó làm phễu trên lớp dầu, để phễu thấm hết dầu ta cho chén mẫu lên bếp rồi châm ngọn lửa đốt từ từ đến khi chỉ để lại tro và cặn cacbon khi cháy hết. Để chén mẫu sau khi cho hoá về nhiệt