Dầu động cơ – Phân loại

PGS.TS. Đinh Văn Kha

Vật liệu bôi trơn – Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật

Xét về số lượng sản phẩm, dầu động cơ là nhóm dầu lớn nhất trong hệ thống dầu bôi trơn, chúng chiếm tới 40%. Do số lượng ôtô tăng nên dầu động cơ ngày càng trở nên quan trọng. Vì tuổi thọ dầu được kéo dài nên sự tiêu thụ dầu động cơ không tăng như tốc độ cũ. Tùy vào các ứng dụng dầu động cơ có thể chứa từ 5 ¸ 25% phụ gia và dầu gốc khoáng tinh lọc, đặc biệt dầu parafin. Trong các trường hợp đặc biệt, ví dụ, trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt, dầu gốc có thể được thay thế một phần hay hoàn toàn bằng dầu tổng hợp (đặc biệt các este hoặc các oligome). Các phân đoạn nhận được từ quá trình hydrocracking, nghĩa là từ sự isome hóa các phân đoạn parafin đặc biệt, được gọi là dầu gốc bán tổng hợp, chúng có một số ưu điểm về tính chất nhiệt nhớt đặc biệt thể hiện trong các tính chất khởi động lạnh và sự tiêu thụ nhiên liệu, ngoài ra còn có một số ưu điểm liên quan đến độ sạch của van, sự trương nở các vật liệu làm kín và độ nhớt Newton.

Ở nhiệt độ cao, dầu động cơ phải có độ nhớt đủ cao để đảm bảo cho sự bôi trơn và đảm bảo độ kín giữa pittông và xilanh, ở nhiệt độ thấp độ nhớt phải thấp để dễ khởi động. Do dầu phải chịu ứng suất nhiệt cao (nhiệt độ ở vùng trên pittông là 200 – 350⁰C, ở cacte là 100 – 150⁰C) nên có một số yêu cầu về độ bền oxy hóa. Ngoài ra, dầu phải ngăn cản sự tạo cốc, cặn và giữ mài mòn ở mức thấp kể cả khi điều kiện làm việc khắc nghiệt. Độ nhớt của dầu rất quan trọng cho sự bôi trơn thủy động (ví dụ, ở trục khuỷu và ổ trục). Để đảm bảo cho sự bôi trơn tốt dưới điều kiện bôi trơn giới hạn (ví dụ, sự bôi trơn pittông, van, bộ truyền động), dầu động cơ có chứa các phụ gia chống mài mòn. Dầu động cơ còn chứa các chất phân tán, chất tẩy rửa để tránh tạo cặn cacbon, cặn sơn trong pittông, giữ các bồ hóng và các sản phẩm cháy khác ở dạng huyền phù, trung hòa các sản phẩm lão hóa, sản phẩm cháy có tính axit. Dầu động cơ cũng cần có khả năng tránh tạo cặn bùn ở nhiệt độ thấp trong điều kiện đi dừng liên tục trong thành phố.

Phân loại dầu động cơ

1. Phân loại theo độ nhớt

Điều kiện hoạt động bình thường của một động cơ phụ thuộc nhiều vào cấp độ nhớt của dầu. Dầu được lưạ chọn tùy thuộc vào nhiệt độ môi trường và điều kiện hoạt động. Dầu có độ nhớt thấp cần được lựa chọn để đảm bảo cho xe có thể khởi động ở điều kiện lạnh, thậm chí cả khi nhiệt độ thấp. Mặt khác độ nhớt phải đủ cao để thỏa mãn yêu cầu cho các điểm bôi trơn ở nhiệt độ làm việc cao. Để tránh những tồn tại của các quy định về sử dụng trước đây, một hệ thống phân loại dầu động cơ đã được Hiệp hội Kỹ sư Ôtô Mỹ SAE (Society of Automotive Engineers) kết hợp với Hội Thử nghiệm và Vật liệu Mỹ ASTM (American Society for Testing and Materials) giới thiệu. Hệ thống phân loại này dùng độ nhớt ở -18⁰C và 100⁰C cho các dầu SAE cấp 5W, 10W, 20W và chỉ dùng độ nhớt ở 100⁰C cho các dầu cấp SAE 20, 30, 40, 50. Sự phân loại theo độ nhớt chỉ đánh giá được tính chất dòng chảy của dầu mà không đưa ra một thông tin nào về chất lượng của dầu.

Các cấp độ nhớt SAE cho dầu động cơ theo DIN 51511 (9.1978) và SAE J 300d

Ghi chú: (1) theo DIN 51377, (2) theo DIN 51550, (3) trong SAE J300d cấp 15W được ghi ở cuối cùng.

Độ nhớt ở -18⁰C được xác định trong một thiết bị mô phỏng khởi động lạnh. Hiện tại hệ thống SAE đang được nghiên cứu để phân loại theo độ nhớt của dầu với mục đích tiến gần tới thực tế hơn dựa vào việc đo độ nhớt ở 100⁰C. Phép đo độ nhớt ở nhiệt độ thấp bằng thiết bị mô phỏng khởi động lạnh hiện nay chỉ dựa trên mômen xoắn trong quá trình khởi động lạnh. Ở nhiệt độ thấp, dòng chảy của dầu có thể gây ra vài vấn đề đối với việc bơm dầu, người ta đã cố gắng đưa vào hệ thống phân loại SAE cả tính chất dòng chảy của dầu phi Newton ở tốc độ trượt thấp trong khoảng 100 s^-1.

Dầu đơn và đa cấp đều có thể dùng bôi trơn động cơ. Theo đặc tính nhiệt nhớt của chúng dầu đơn cấp tương đương với một cấp SAE và độ nhớt phải được lựa chọn theo điều kiện làm việc và nhiệt xung quanh. Để có được sự bôi trơn hoàn hảo, vào mùa hè ở Trung Âu nên dùng SAE 30, dầu SAE 20W hay thậm chí SAE10W dùng thích hợp vào mùa đông để đảm bảo khởi động lạnh được dễ dàng.

Dầu đa cấp có đặc tính VT được cải thiện có thể thuộc nhiều cấp SAE, như dầu SAE 10W – 30 thì độ nhớt ở – 18⁰C là của dầu 10W còn độ nhớt ở 100⁰C là của dầu SAE 30 (hình 3.2). Đặc tính VT được cải thiện bằng cách thêm phụ gia VI vào dầu gốc tinh chế hoặc có thể trộn lẫn dầu khoáng với dầu tổng hợp có VI cao. Do đó dầu thu được có thể thuộc hai, ba hay bốn cấp SAE. Ví dụ, để thu được SAE 10W – 30 bằng cách thêm phụ gia VI thì độ nhớt của dầu gốc phải nằm gần hoặc thấp hơn độ nhớt quy định của SAE 10W vì việc thêm 3 – 15% khối lượng phụ gia VI sẽ làm tăng độ nhớt của dầu. Khoảng độ nhớt tạo ra bị giới hạn bởi độ bền trượt của polyme. Việc giảm độ nhớt do sự phân hủy polyme trong suốt quá trình làm việc làm tổn hại đến các tính chất bôi trơn ở nhiệt độ cao và do đó ảnh hưởng đến đặc tính chống mài mòn của dầu đa cấp. Để tránh giảm độ nhớt và giảm VI do trượt có thể dùng dầu tổng hợp thêm vào dầu khoáng, gọi là dầu bán  tổng hợp có đặc tính dòng chảy Newton. Ngày nay dầu đa cấp được sử dụng ưu tiên cho việc bôi trơn trong các ôtô khách. Dầu SAE 15W – 50 hay 15W – 40 có thể dùng quanh năm trong khí hậu Trung Âu. Vào mùa đông, dầu SAE 15W – 40 được sử dụng nhiều hơn, đặc biệt với động cơ điezen. Ngày nay, xu hướng dùng dầu SAE 10W-40, 10W-30 ở châu Âu ngày càng rõ ràng hơn. Các dầu đa cấp đặc biệt dùng cho các phương tiện thương mại đã có mặt trên thị trường từ những năm 1970 và đã  trở nên rất quan trọng.

2. Phân loại theo tính năng

Cho đến 1940, các dầu không chứa phụ gia đã được sử dụng phổ biến cho việc  bôi trơn tất cả các động cơ đốt trong; ngày nay các dầu động cơ hiện đại khác nhau nhiều về số lượng phụ gia và thành phần và do đó liên quan đến tính năng, tùy thuộc vào việc sử dụng chúng trong động cơ xăng hay động cơ điezen, động cơ điezen loại nặng, động cơ xăng hai kỳ. Các tính năng của động cơ hiện đại cần cải thiện và thiết kế gọn nhẹ, cũng như các yêu cầu bảo vệ môi trường ngày càng đặt ra đối với các động cơ và do đó cần thiết phải liên tục nâng cấp dầu.

Việc thêm phụ gia và liên tục nâng cấp dầu động cơ đã đặt ra vấn đề ngoài sự phân loại theo độ nhớt cần thiết phải phân loại dầu theo tính năng sử dụng. Do đó, năm 1947, Phòng Bôi trơn của Viện Dầu mỏ Mỹ API (American Petroleum Institute) đã chia dầu động cơ thành ba nhóm, tùy theo mức độ xử lý phụ gia. Sau đó năm 1951 API lại đưa ra một hệ thống phân loại khác, phân chia dầu theo nhóm động cơ xăng và nhóm động cơ điezen tùy theo ứng dụng ở các điều kiện làm việc khác nhau. Từ đó đến nay hệ thống này đã được sửa đổi nhiều lần.

Dầu theo cấp API-SE đã được giới thiệu ở châu Âu từ năm 1972. Dầu cấp API-SF ra đời 1979 ¸ 1980 và hi vọng có thể kéo dài được thời gian thay dầu tới 15.000 dặm (khoảng 24000km). Tuy nhiên theo tình trạng hiện nay của công nghiệp ôtô Mỹ, giới hạn của SF không cho phép dùng được như vậy. Hiện nay, thời gian thay dầu của xe khách Mỹ khi dùng dầu SF là 7500 ¸ 10000 dặm (khoảng 12000 ¸16000km) với động cơ xăng. Đối với động cơ điezen hay động cơ có tăng áp thì phải thay dầu thường xuyên hơn. Do đó, dầu cao cấp hơn (API – SG) đã được xem xét và nghiên cứu. Sự phân loại dầu động cơ được nêu ở bảng 3.8.

Phân loại dầu động cơ theo API

Các tiêu chuẩn của Quân đội Mỹ đã được dùng rộng rãi trên thế giới để đánh giá các tính năng của dầu động cơ. Ở châu Âu các nhà sản xuất động cơ quan trọng cũng coi các tiêu chuẩn này như các yêu cầu tối thiểu (trừ các nhà sản xuất động cơ điezen loại lớn vì khi đó điều kiện làm việc thay đổi). Các phương pháp thử động cơ và các tiêu chuẩn để đánh giá dầu theo các cấp API SE, SF, CC, CD được trình bày ở bảng 3.9. Một số nhà sản xuất động cơ hàng đầu châu Âu đã đưa thêm một số tiêu chuẩn dựa trên các phương pháp kiểm tra trong phòng thí nghiệm và trên động cơ. Để giảm thiểu được các phương pháp kiểm tra động cơ và để cung cấp các quy trình kiểm tra tương đương như châu Âu, Hiệp hội các nhà sản xuất ôtô CCMC (Committee of Common Market Automobile Constructors) đã đưa ra các thử nghiệm tiêu chuẩn của họ: quy trình kiểm tra châu Âu cho các dầu ôtô chở khách, môtô (CCMC – bảng L/9/76, tháng 10/1976); quy trình kiểm tra châu Âu cho các xe tải điezen (CCMC – bảng L/2/78, tháng 11/1978). Ngày nay, các nhà sản xuất động cơ châu Âu yêu cầu thực hiện các phân loại của Mỹ, cũng như của Hiệp hội các nhà sản xuất ôtô để có nhiều phương pháp thử nghiệm động cơ cho quá trình đánh giá chất lượng dầu động cơ.

Các phương pháp thử động cơ cho các loại dầu theo API

Ghi chú: Ứng suất nhiệt tăng từ 1-H đến 1-G trong các phương pháp thử Caterpillar và 1-D là ứng suất nhiệt dùng khi thử với nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh nhiều hơn.

Ngoài các yêu cầu chất lượng có tính quốc tế trên, nhiều nhà sản xuất động cơ còn thiết lập các chỉ tiêu riêng gồm các phép thử động cơ, các tính chất như ăn mòn, tạo bọt, khả năng tương hợp với các chất đàn hồi,…

Phần lớn các phân loại trên đã giải thích cho các dầu động cơ. Ví dụ, một dầu cho động cơ ôtô chở khách phải thỏa mãn các cấp API SE và CC, cũng như các yêu cầu CCMC – 1; một dầu dùng cho động cơ xe tải điezen có tăng áp phải thỏa mãn với API – CD và CCMC 2,2. Từ việc xét loại dầu và cấp, mục đích của công nghiệp dầu nhờn là giảm sự phân loại và đơn giản hóa việc lựa chọn dầu bằng cách phát triển các dầu đa cấp và các dầu phổ biến chung.