2.2.1 Các phương pháp phân tích các chỉ tiêu hóa lý
Các chỉ tiêu hóa lý được sử dụng trong đề tài này là tiến hành phân tích theo các phương pháp tiêu chuẩn liệt kê dưới đây:
Bảng 2.3: Các phương pháp phân tích chỉ tiêu hóa lý
TT Tên chỉ tiêu Đơn vị Phương pháp
1 Độ nhớt ở 40 °C mm2 ASTM D 445
2 Độ nhớt ở 100 °C mm2 ASTM D 445
3 Chỉ số độ nhớt VI - ASTM D 2270
4 Nhiệt độ chớp cháy cốc hở oC ASTM D 92
5 Chỉ số axit tổng Mg KOH/g ASTM D 664
6 Độ tạo bọt ở 93.5°C Ml/ml ASTM D 892
7 Tỷ trọng g/ml IP306, ASTM D 525
8 Ăn mòn đồng - ASTM D 130
2.2.1.1 Độ nhớt
Độ nhớt là một chỉ tiêu đặc biệt quan trọng. Khi xác định độ nhớt ở 40oC và 100oC có thể đánh giá được dầu tốt hay xấu, có còn sử dụng được hay không và có bị lẫn nhiên liệu hay không.
Độ nhớt của dầu động cơ đặc biệt quan trọng ở nhiều khía cạnh. Nó có ảnh huởng đến độ kín khít, tốn hao công ma sát, khả năng chống mài mòn, khả năng tạo cặn. Do vậy trong động cơ chuyển động khứ hồi, độ nhớt của dầu có tác động chính đến luợng tiêu hao nhiên liệu, khả năng tiết kiệm dầu và hoạt đọng chung của cả động cơ.
Đối với một số loại dầu động cơ nhất là dầu động cơ ôto, độ nhớt cũng ảnh hưởng đến sự dễ dàng khởi động và tốc độ trục khuỷu.
Độ nhớt quá cao sẽ gây ra sức cản lớn khi nhiệt độ xung quanh thấp, làm giảm tốc độ trục cơ và do đó tăng lượng nhiên liệu tiêu hao, kể cả sau khi động cơ đã khởi động. Độ nhớt quá thấp sẽ dẫn đến chóng mài mòn và tăng lượng tiêu hao dầu.
Trong điều kiện động cơ làm việc nặng, làn việc với tải trọng lớn thì dầu có độ nhớt cao tin cây hơn. Đặc biệt đáng chú ý, việc dầu oxy hoá có thể dẫn đến hoặc
làm tăng hoặc làm giảm động nhớt. Độ nhớt giảm thường do sự phân huỷ cơ học của các chất polyme tăng chỉ số nhớt trong dầu bốn mùa, hoặc do bị lẫn nhiên liệu, các chất căn bấn. Tuy nhiên quá trình oxy hoá cũng bẻ gãy các chất tăng động nhớt thành các phân tử nhỏ hơn, do đó làm giảm khả năng đông đặc của chúng, nhất là ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ cao cũng có thể gây tốn thất do bay hơi, làm dầu đặc hơn thêm do nồng độ các thành phần nhớt hơn trong dầu tăng lên.
Chính vì vậy độ nhớt, độ nhớt là một trong những tính chất quan trọng nhất của dầu nhờn nói chung và dầu động cơ nói riêng. Khi chọn độ nhớt của dầu nhờn cần phải tính đến những điều kiện có liên quan đến đặc điểm cấu tạo của động cơ cúng như đặc điểm sử dụng động cơ đó. Độ nhớt còn dùng để phân loại các dầu bôi trơn nói chung và dầu động cơ nói riêng.
Theo đơn vị SI thì độ nhớt được định nghĩa là lực tiếp tuyến trên một đơn vị diện tích (N/m2) cần dùng trong quá trình chuyển động tương đối (m/s) giữa hai mặt phang nằm ngang được ngăn cách nhau bởi một lớp dầu dày lmm, đó là độ nhớt động được tính bằng pascal giây (Pa.s).
Theo đơn vị CGS thì độ nhớt được tính bằng poazơ p (dyn.s/cm2). Có thể chuyển đối giữa hai loại đơn vị này theo công thức: l Pa.s = 10 p. Ngoài ra poazơ còn có thể chuyển đổi sang đơn vị động học thường dùng là Stoc (Sc) và centimet Stoc (cSt) mà giá trị phụ thuộc vào tỷ trọng của dầu. Theo đơn vị SI thì độ nhớt động học đuợc tính bằng m2/s hay mm2/s (lmm2/s=lcSt).
Độ nhớt là yếu tố quyết định của dầu nhờn cũng như chất lỏng gia công kim loại,quyết định đến độ dày màng dầu cũng như mức độ hao tổn khi sử dụng.
Nếu độ nhớt quá lớn có thể gây ra nhũng tác hại sau: - Trở lục tăng
- Mài mòn khi khởi động - Khả năng lưu thông kém
Nếu dầu có độ nhớt nhỏ thì lại có tác hại - Dễ bị đẩy ra khỏi bề mặt bôi trơn
- Khả năng bám dính kém - Mất mát dầu bôi trơn
Độ nhớt có thể biểu diễn dưới 3 dạng: - Độ nhớt động lực
- Độ nhớt động học - Độ nhớt quy ước
Thông thường ta xác định độ nhớt động học vì nó là độ nhớt kĩ thuật của dầu, được xác định bằng tỉ số giữa độ nhớt động lực g với tỉ trọng của dầu p của dầu. Sử dụng nhớt kế mao quản theo ASTM D 445.
Hình 2.1 Nhớt kế mao quản
Phương pháp đo độ nhớt của dầu: đo thời gian chảy (tính bằng giấy) của một thể tích dầu nhất định qua ống mao quản chuẩn, được gọi là nhớt kế mao quản và được tính theo công thức: V = K.t
Trong đó: V: Độ nhớt của dầu. k: Hằng số độ nhớt.
t: Thời gian chảy của dầu.
2.2.1.2. Chỉ số độ nhớt VI
Chỉ số độ nhớt (VI) là một trị số chuyên dùng đế đánh giá sự thay đối độ nhớt của dầu bôi trơn theo nhiệt độ. Đối với dầu bôi trơn thì khi nhiệt độ càng tăng độ nhớt của dầu càng giảm. Mức độ giảm độ nhớt của dầu nhờn khi nhiệt độ tăng phụ
thuộc vào thành phần của dầu. Loại dầu có chỉ số độ nhớt thấp thì độ nhớt của dầu thay đổi rất nhiều theo nhiệt độ (các loại dầu naphten). Ngược lại các loại dầu có chỉ số độ nhớt cao thì độ nhớt của dầu này thay đổi ít theo nhiệt độ (các loại dầu parafin). Đây là một chỉ tiêu rất quan trọng đối với dầu bôi trơn.
Trong quá trình sử dụng dầu có biểu hiện thay đối chỉ số độ nhớt là do bị lẫn các sản phẩm khác. Đôi khi chỉ số độ nhớt tăng là do quá trình oxy hoá của dầu, chỉ số độ nhớt giảm có thể do bị phá vỡ cấu trúc các phân tử phụ gia polyme trong dầu.
Đối với dầu bốn mùa thì chỉ số độ nhớt rất cần thiết, vì dầu có VI cao hơn sẽ ít gây ra sự cản nhớt khi khởi động máy ở nhiệt độ thấp, do đó chiều dày màng dầu dày hơn làm cho khả năng làm kín và chống ăn mòn tốt hơn, tiêu hao dầu ít... trong phạm vi nhiệt độ hoạt động rất rộng. Tuy nhiên đối với điều kiện Việt Nam chỉ cần dùng dầu một mùa - tức là dầu cho động cơ không phải khởi động lạnh thì chỉ số này thường yêu cầu từ 90 mm2/s trở lên.
Theo tiêu chuẩn ASTM D 2270 đưa ra cách tính chỉ số nhớt của dầu bôi trơn và các sản phẩm tương tự từ giá trị độ nhớt động học của chúng ở 40oC và 100oC. 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 tương đối về độ nhớt của hai loại dầu chọn lọc chuyên dùng. Hai loại dầu này có khác biệt rất lớn về VI: loại dầu có VI thấp là loại có độ nhớt thay đổi rất nhiều theo nhiệt độ (các loại dầu naphten) và loại dầu có VI cao là loại có độ nhớt ít thay đối theo nhiệt độ (các loại dầu parafin).
Theo tiêu chuẩn này thì có hai cách tính độ nhớt áp dụng cho hai Dầu có giá trị VI đến 100 Chỉ số nhớt được tính theo công thức:
VI=L−U
L−H∗100
Trong đó:
L: Độ nhớt động học đo ở 40°C của một loại dầu có VI bằng 0 và có cùng độ nhớt động học ở 100°C với dầu mà ta cần phải tính VI, mm2/s.
U: Độ nhớt động học ở 40°C của dầu cần tính VI, mm2/s.
H: Độ nhớt động học ở 40°C của loại dầu có VI =100 và có cùng độ nhớt động học ở 100°C với dầu mà ta cần tính VI, mm2/s.
Neu giá trị độ nhớt động học của dầu ở 100°c nhỏ hơn hoặc bằng 70 mm2/s thì các giá trị tương ứng của H và L được trong bảng ASTM D 2270. Những giá trị nào
không được ghi trong bảng nhưng vẫn thuộc phạm vi của bảng bằng phương pháp nội suy tuyến tính ta vẫn nhận được giá trị cần tìm.
Bảng 2.4: Giá trị của L và H ứng với độ nhớt động học ở 40°c và 100°c
Độ nhớt động học ở 100°C, mm2/s Giá trị L Giá trị H 2,00 7,994 6,394 2,10 8,640 6,894 5,00 40,23 28,49 5,10 41,99 29,48 15,00 296,5 149,7 15,10 300,0 151,2 20,00 493,2 229,5 20,20 501,5 233,0 70,00 4905 1558
Nếu độ nhớt động học ở 100°Clớn hơn 70 mm2/s thì giá trị L và H được tính như sau:
L = 0.8353 Y2 + 14.67 Y-216 H = 0.1684 Y2+ 11.85 Y- 97
Trong đó Y - độ nhớt ở 100°C của dầu cần tính chỉ số độ nhớt, mm2/s Dầu có giá trị VI lớn hơn 100: VI được tính theo công thức sau:
VI = [(antilogN-1)/ 0.00715] +100 Trong đó: N= (lgH - lgU)/ lgY hay YN = H/U
trị H tương ứng được tra từ ASTM D 2270. Nếu độ nhớt đo được lớn hơn 70 mm2/s thì giá trị H được tính như sau:
H = 0.1684 Y2+11.85 Y- 97
Ngoài ra còn một số phương pháp khác dùng để xác định chỉ số độ nhớt khá nhanh nhưng chúng chỉ có tính chất tương đối như phương pháp dùng đồ thị, sử dụng các bảng đã được quy chuân, nội suy...
2.2.1.3. Xác định độ ăn mòn tấm đồng
Theo phương pháp ASTM D 130
Mục đích: Để xem một lọai dầu có thích hợp cho một thiết bị có nhưng bộ phận dễ bị ăn mòn hay không người ta phải tiến hành phép thử độ ăn mòn đồng.
ASTM D 130 - phát hiện sự ăn mòn đồng của sản phẩm dầu mỏ bằng phép thử độ mờ xỉn tấm đồng. Phương pháp này cho phép định lượng về mức độ của đồng lên tấm đồng tinh khiết.
Quy trình thử nghiệm:
Tấm đồng được đánh sạch và bóng: bằng cách dùng giấy ráp mịn đánh theo chiều dọc của tấm đồng, chỉ đánh theo một chiều sao cho sạch và tránh ăn mòn bộ.
Rửa sạch tấm đồng bằng dung môi dễ bay hơi.
Dùng kẹp gắn tấm đồng vào ống nghiệm tới khi ngập tấm đồng. Cho ống nghiệm vào rọ rồi nhúng nó vào trong thùng điều nhiệt. Giữ nhiệt độ theo quy định với mẫu dầu thử nghiệm.
Khi phép thử kết thúc, nhấc mẫu ra làm nguội dưới vòi nước, dùng cặp gắp tấm đồng ra.
Dùng dung môi rửa tấm đồng, thấm khô và đem so với bảng tiêu chuẩn ASTM về ăn mòn đồng.
Hình 2.2: Bảng màu đo độ ăn mòn đồng 2.2.1.4. Chỉ số axit tổng
Độ axit thường được biểu thị qua trị số axit tổng (TAN) cho biết lượng KOH (tính bằng miligam ) cần thiết để trung hoà tất cả các hợp chất mang tính axit có mặt trong 1 g mẫu.
Hiện nay, có nhiều loại phụ gia được sử dụng nhằm nâng cao phẩm chất của dầu bôi trơn. Tuỳ thuộc vào thành phần cấu tạo của chất phụ gia mà dầu nhờn có tính axit hay kiềm. Trong dầu mới cũng như dầu đã sử dụng, những chất được coi là có tính axit gồm : các axit vô cơ và hữu cơ, các este, các hợp chất nhựa cũng như các chất phụ gia. Tương tự như vậy, các hợp chất được coi có tính kiềm bao gồm: các chất kiềm vô cơ và hữu cơ, các muối của các kim loại nặng, các phụ gia... Rất nhiều phụ gia hiện nay đang được sử dụng cho dầu động cơ có chứa các hợp chất kiềm nhằm trung hoà các sản phẩm axit của quá trình cháy, lượng tiêu tốn của các thành phần kiềm này là một chỉ số về tuổi thọ sử dụng của dầu. Phép đo độ kiềm liên quan đến TBN hiện đang được áp dụng cho hầu hết các động cơ, đặc biệt là dầu động cơ diezen.
Chỉ số axit tống của dầu là đại lượng đánh giá mức độ biến chất của dầu do quá trình oxy hoá. Đối với hầu hết các loại dầu bôi trơn, chỉ số TAN có giá trị ban đầu nhỏ và tăng dần trong quá trình sử dụng dầu. Mặt khác do một số phụ gia như phụ gia chống ăn mòn có tính axit cao nên chỉ số TAN ban đầu không thể dùng đế tiên đoán chính xác chất lượng của dầu.
2.2.1.5. Xác định độ tạo bọt
Theo phương pháp ASTM D 892
Phương pháp này dùng để xác định tính chất tạo bọt của dầu nhờn tại một nhiệt độ đặc biệt.
Xu hướng tạo bọt của dầu là vấn đề nghiêm trọng trong các hệ thống như hệ bánh răng tốc độ cao, bơm lưu lượng lớn, và các hệ tống bôi trơn theo kiểu vung tóe. Ở đó sự bôi trơn không thích đáng, sự tạo bọt và mất mát do trào dầu có thể dẫn đến hỏng các bộ phận cơ khí.
Mẫu dầu được duy trì ở nhiệt độ 24oC và được sụt qua bằng một dòng khí có tốc độ không đổi trong 5 phút, sau đó để lắng trong 10 phút. Phần thể tích bọt còn lại được xác định như là độ tạo bọt. Thực nghiệm được lặp lại trên mẫu thứ hai ở 93,5oC và để cho xẹp bọt ở 24oC.
Hình 2.3: Thiết bị đo độ tạo bọt
2.2.1.4 Tỷ trọng ở 15°C
Theo phương pháp ASTM D 1298 - 96 Phạm vi áp dụng
xác định khối lượng riêng, tỷ trọng hay độ API của dầu thô, của các sản phẩm dầu mở hay hôn hợp dầu mỏ và không dầu mỏ dạng lỏng và có áp suất hơi Reid < 179 kPa
Dùng tỷ trọng kế đo khối lượng riêng ở các nhiệt độ thích hợp và các số đọc quy về ở 15°C, cần các số đọc của tỷ trọng và trọng lượng API được quy về 60°F theo các bản chuẩn quốc tế, dựa vào các bảng này, các giá trị bất kì một trong ba hệ thống đều có thể quy đổi thành giá tri tương đương với một trong hay hệ thống còn lại.
Như vậy phép đo có thể thực hiện theo các đơn vị thích hợp. Một bộ tỷ trọng kế dầu mỏ có các khoảng đo như sau:
- Xăng: 0,690 -T- 0,750
- Nhiên liệu diezen: 0,750 -T- 0,830 - Dầu nhờn: 0,830 + 0,91
Quy trình đo
Mẫu được quy về nhiệt độ chuẩn quy định chính xác bằng máy điều nhiệt hoặc mẫu đã được giữ ở nhiệt độ ổn định thích hợp (là nhiệt độ đo được của mẫu hoặc nhiệt độ trùng với nhiệt độ của phòng).
Ồng đong hình trụ, có đường kính của ống > 25 mm so với đường kính ngoài của tỷ trọng kế. Chiều cao của ống đong phải đủ cho tỷ trọng kế nổi trong mẫu và đáy tỷ trọng kế nổi cách đấy ống đọng tối thiểu 25 mm, đưa nhiệt độ ống đong và nhiệt độ tỷ trọng kế gần với mẫu thử.
Rót mẫu nhẹ nhàng vào ống đong sao cho tránh tạo bọt và tránh bay hơi mấy phân đoạn nhẹ (khi cần thiết có thể dùng ống xiphong), sao cho đủ lượng để tỷ trọng kế nổi và đọc được số. Gạt bỏ tất cả bọt khí sau khi chúng tập trung lên mạt giấy bằng cách lấy giấy lọc chạm nhẹ vào chúng.
Đặt ống vào vị trí thẳng đứng, thả từ từ tỷ trọng kế thích hợp vào ống đong sao cho không chạm vào thành ống và để yên. Chú ý phần nổi của tỷ trọng kế không bị ướt. Dùng nhiệt kế để khuấy mẫu sao cho bình thủy ngân của nhiệt kế luân chìm trong mẫu thử. Ngay khi số đọc của nhiệt kế ổn định, ghi lại nhiệt độ chính xác đến 0,25°C và sau đó lấy nhiệt kế ra.
hoặc có thể xoay nhẹ để đưa tỷ trọng kế về vị trí cân bằng, nổi tự do, không chạm vào thành ống. Đặt mặt ngang bề mặt chất lỏng, đọc đúng vạch cắt của thang chia độ với bề mặt của chất lỏng theo hai trường hợp: chất lỏng trong suất hoạc chất lỏng đục
Hình 2.4: Thiết bị đo tỷ trọng
2.2.1.6 Xác định nhiệt độ chớp lửa