Σημασία και εφαρμογές των λιπαντικών σε κινητήρες εσωτερικής καύσης

Σε έναν πολιτισμό που εξαρτάται ολοένα και περισσότερο από τις μηχανές, τα υλικά που λιπαίνουν τα μετακινούμενα μέρη κρίνονται απολύτως απαραίτητα. Τα συστήματα λίπανσης έχουν αναπτυχθεί σε μεγάλο βαθμό και μπορούν να καλύψουν ένα πολύ μεγάλο φάσμα εφαρμογών.

Των κ. Η. Τσακηρίδη και Π. Νικολακόπουλου*

Με τον όρο “λιπαντικό” αναφερόμαστε σε οποιαδήποτε ουσία η οποία τοποθετείται μεταξύ τριβόμενων επιφανειών, με σκοπό πρωτίστως τη μείωση της τριβής και της φθοράς, και δευτερευόντως της θερμοκρασίας. Η ιδιότητα της μείωσης της τριβής είναι γνωστή ως λιπαντικότητα. Τα λιπαντικά, ως προς τη φυσική τους κατάσταση, χωρίζονται σε τρεις βασικές κατηγορίες:

– Υγρά λιπαντικά (ορυκτέλαια, φυτικά έλαια, ζωικά έλαια).

– Στερεά λιπαντικά (ταλκ, γραφίτης).

– Ημίρρευστα ή συνεκτικά έλαια (γράσα).

Αν εξαιρέσουμε τα φυτικά και ζωικά έλαια, ανάλογα με τον τύπο της βάσης και τις περιεκτικότητες των διαφόρων προσθέτων, τα υγρά λιπαντικά συνήθως διαχωρίζονται σε τρεις κατηγορίες:

1. Ορυκτέλαια (Mineral oils). Αυτά φτιάχνονται από κλασματικά αποσταγμένο πετρέλαιο, το οποίο έχει υποστεί περαιτέρω επεξεργασία καθαρισμού με οξύ ή μέσω εκχύλισης με διαλύτη. Αυτός ο τύπος λαδιού, συχνά, χαρακτηρίζεται ως ορυκτέλαιο, και τα εν λόγω λιπαντικά περιέχουν υψηλού επιπέδου ιξώδες. Όταν θερμαίνονται, εξατμίζονται πολύ γρήγορα και μολύνονται, λόγω χημικής αλλοίωσης των πρόσθετων που περιέχουν.
2. Ημισυνθετικά (Semi-synthetic oils). Με βάση τα ορυκτά που υποβάλλονται σε ειδικές τεχνικές διεργασίες, αυτά τα λάδια περιέχουν πιο υψηλή ποσότητα πρόσθετων σε σύγκριση με τα ορυκτέλαια. Ως ημισυνθετικά ή εν μέρει συνθετικά, λειτουργούν άψογα σε περιοχές με ήπιους χειμώνες και δροσερά καλοκαίρια, και το κόστος τους είναι μικρότερο από των συνθετικών λαδιών. Διαθέτουν, επίσης, επιπλέον πλεονεκτήματα από τα ορυκτέλαια, όπως είναι η πιο μακράς διάρκειας λειτουργία και η υψηλότερη αντοχή στις διαφοροποιήσεις της θερμοκρασίας, και γενικότερα έχουν καλύτερη αποτελεσματικότητα.
3. Συνθετικά (Synthetic oils). Τα εν λόγω λιπαντικά φτιάχνονται από πετρέλαιο μέσω οργανικής σύνθεσης. Λόγω της ειδικής φόρμουλας και της κορυφαίας τεχνολογίας που χρησιμοποιούνται κατά την παραγωγή τους, τα συγκεκριμένα λάδια προλαμβάνουν τους σχηματισμούς επικαθίσεων ιλύος και διατηρούν τα χαρακτηριστικά ιδανικού ιξώδους σε χαμηλές θερμοκρασίες. Επίσης, διατηρούν τις αρχικές τους ιδιότητες ακόμα και στις υπερβολικά υψηλές θερμοκρασίες, και για αυτό είναι κατάλληλα και για χρήση σε ζεστά κλίματα.

Το ιξώδες αποτελεί μία από τις βασικές ιδιότητες ενός λαδιού και είναι η ιδιότητα που έχει ένα λιπαντικό να παρουσιάζει αντίσταση κατά τη ροή του, ως αποτέλεσμα της εσωτερικής τριβής των μορίων του.

Τα λιπαντικά αλλάζουν ιδιότητες ανάλογα με τη θερμοκρασία. Όταν αυτή είναι υψηλή, ύστερα δηλαδή από ορισμένο χρόνο λειτουργίας, το ιξώδες του λιπαντικού πρέπει να παραμένει αρκετά υψηλό, ώστε να μην υπάρξει κίνδυνος εκθλίψεως της λιπαντικής μεμβράνης.

Όταν το ιξώδες είναι μεγαλύτερο από το κανονικό, δυσχεραίνει την κίνηση των κινούμενων επιφανειών και προκαλεί απώλεια ισχύος και μείωση του βαθμού απόδοσης. Αντίθετα, το χαμηλό ιξώδες δεν εξασφαλίζει πάντοτε τη λιπαντική μεμβράνη που απαιτείται ανάμεσα στις τριβόμενες επιφάνειες.

Η σταθερότητα του ιξώδους στις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας εξασφαλίζεται από τον «δείκτη ιξώδους» (Viscosity Index [V.I.]). Η τιμή του δείκτη ιξώδους είναι ανάλογη της σταθερότητας του ιξώδους με την αλλαγή της θερμοκρασίας. Μία υψηλή τιμή δείκτη ιξώδους υποδεικνύει μειωμένη μεταβολή του ιξώδους με τις μεταβολές της θερμοκρασίας.

Τα λιπαντικά κατατάσσονται με βάση αυτή την ιδιότητά τους σε μία κλίμακα την οποία υπέδειξε η Αμερικάνικη Εταιρεία Μηχανικών Αυτοκινήτων (Society of Automobile Engineers [SAE]), και μετά τις Η.Π.Α την υιοθέτησαν όλες οι χώρες του κόσμου. Η συγκεκριμένη  κλίμακα είναι γνωστή ως SAE, αρχίζει από το 0 (που αντιστοιχεί σε ένα πολύ λεπτόρρευστο λάδι κατάλληλο ίσως για ωρολογιακούς μηχανισμούς) και φτάνει μέχρι το 250 (που είναι ένα βαρύ παχύρευστο λιπαντικό).

Επειδή το ιξώδες του λιπαντικού μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία, υπάρχουν μονότυπα και πολύτυπα λιπαντικά. Τα μονότυπα είναι εκείνα που έχουν ένα μόνο αριθμό SAE και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιορισμένο εύρος θερμοκρασιών.

Αν στον κινητήρα ενός αυτοκινήτου χρησιμοποιήσουμε τέτοιου τύπου λάδι το χειμώνα ή σε περιβάλλον με χαμηλή θερμοκρασία, είναι πιθανό να μην έχει επαρκή ρευστότητα για να προστατεύσει τον κινητήρα κατά την εκκίνηση και μέχρι να φτάσει στη θερμοκρασία λειτουργίας του. Για παράδειγμα, ένα ορυκτέλαιο με SAE 40, που ίσως είναι κατάλληλο για λίπανση βενζινομηχανής κατά τους θερινούς μήνες, σε χαμηλές θερμοκρασίες το χειμώνα θα αποκτά ιξώδες τόσο υψηλό που μπορεί να δυσχεραίνει την εκκίνηση του κινητήρα.

Αντίθετα, η ένδειξη SAE 20W φανερώνει λιπαντικό που και στις χαμηλές θερμοκρασίες διατηρεί το ιξώδες του σε ικανά επίπεδα για την καλή λειτουργία του κινητήρα. To W προκύπτει από το αγγλικό «winter» που σημαίνει «χειμώνας» και υποδεικνύει πως το λιπαντικό καλύπτει προδιαγραφές ιξώδους για χρήση σε χαμηλές θερμοκρασίες.

Για τους λόγους αυτούς, τα πολύτυπα λάδια είναι ευρέως διαδεδομένα και χαρακτηρίζονται από δύο αριθμούς, π.χ. από τον αριθμό 5W-40, ο οποίος σημαίνει ότι σε χαμηλές θερμοκρασίες το λάδι συμπεριφέρεται σαν λεπτόρρευστο (5W), ενώ σε υψηλές συμπεριφέρεται ως παχύρευστο (40).

Η επιλογή, λοιπόν, του λιπαντικού πρέπει να γίνεται με βάση τη χρήση για την οποία προορίζεται, σύμφωνα με το ιξώδες του αλλά και με τις προδιαγραφές που ορίζει ο κατασκευαστής. Κάθε λιπαντικό είναι σχεδιασμένο για συγκεκριμένη χρήση, και αυτό πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την εφαρμογή ενός λιπαντικού.

Τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιούνται νανοσωματίδια ως πρόσθετα στα λιπαντικά, με σκοπό τη βελτίωση της απόδοσής τους και, κατ’ επέκταση, τη βελτίωση της συμπεριφοράς του κινητήρα. Τα νανοσωματίδια που χρησιμοποιούνται για αυτό το σκοπό συνήθως είναι νανομόρια άνθρακα, ψευδαργύρου και διάφορων άλλων μετάλλων.

Μεγάλο ενδιαφέρον για την ακαδημαϊκή κοινότητα συγκεντρώνουν τα νανομόρια άνθρακα, γνωστά ως φουλερένια, τα οποία έχουν μελετηθεί ως πρόσθετα λιπαντικών και από τους συγγραφείς του παρόντος. Έχει μελετηθεί η ροή λιπαντικού με πρόσθετα φουλερενίου στο τριβοζεύγος ελατήριο συμπίεσης πιστονιού – κυλίνδρου, ενώ έχει ληφθεί υπόψη η θερμοκρασιακή αλληλεπίδραση, καθώς κι οι τραχύτητες οι οποίες επηρεάζουν τη ροή.

Το ιξώδες των λιπαντικών μπορεί να μετρηθεί με την χρήση κατάλληλων οργάνων, των ιξωδομέτρων. Μάλιστα, στο Εργαστήριο Σχεδιάσεως Στοιχείων Μηχανών υπάρχει πιστοποιημένη συσκευή μέτρησης ιξώδους, το ιξωδόμετρο τριχωειδούς σωλήνα, σε πιστοποιημένο χώρο για τη διεξαγωγή αντίστοιχων πειραμάτων.

Υπάρχουν κάποιοι βασικοί τύποι μεθόδων λίπανσης που χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές, οι οποίοι παρουσιάζονται παρακάτω.

Εικόνα: Φουλερένιο C60

Υδροδυναμική λίπανση

Κατά την υδροδυναμική λίπανση (Hydro-Dynamic-Lubrication [HDL]) δημιουργείται ένα λεπτό φιλμ λιπαντικού ανάμεσα στις συνεργαζόμενες (τριβόμενες) επιφάνειες, το οποίο εμποδίζει την άμεση επαφή τους και μειώνει την τριβή. Το λιπαντικό αναρροφάται παθητικά στο κενό μεταξύ των επιφανειών λόγω της διαφοράς πίεσης, σχηματίζοντας ένα λεπτό λιπαντικό φιλμ.

Χαρακτηριστικές εφαρμογές υδροδυναμικής λίπανσης αποτελούν οι κινητήρες εσωτερικής καύσης, οι υπερπληρωτές (turbo), τα έδρανα ολίσθησης, οι άξονες μετάδοσης ισχύος σε πλοία κ.ά.

Υδροστατική λίπανση

Η υδροστατική λίπανση (Hydro-Static Lubrication) χρησιμοποιεί μια εξωτερική πηγή, όπως μια αντλία, για την παροχή λιπαντικού υπό πίεση, με συνέπεια να δημιουργείται έτσι ένα ρευστό φιλμ μεταξύ των επιφανειών. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται συνήθως σε εφαρμογές όπου η ταχύτητα και το φορτίο αλλάζουν συνεχώς.

Τριβοζεύγος ελατηρίου συμπίεσης – κυλίνδρου και φιλμ λιπαντικού.

Ελαστοϋδροδυναμική λίπανση

Κάτω από υψηλές πιέσεις μπορεί να συμβεί και τοπική παραμόρφωση των συνεργαζόμενων επιφανειών, με αποτέλεσμα το λιπαντικό να συμπεριφέρεται σαν ελαστικό στερεό και όχι ως ρευστό, κυρίως λόγω της τοπικής αύξησης του ιξώδους.

Για το λόγο αυτό, σε εφαρμογές με υψηλά φορτία χρησιμοποιείται ελαστοϋδροδυναμική λίπανση (Elasto-Hydrodynamic-Lubrication [EHL]) σε στοιχεία κύλισης και δόντια γραναζιών.

Οριακή και μεικτή λίπανση

Όταν δεν μπορεί να σχηματιστεί μια λεπτή λιπαντική μεμβράνη λιπαντικού ανάμεσα στις τριβόμενες επιφάνειες, οι επιφάνειες έχουν άμεση επαφή (μετάλλου με μέταλλο). Τα λιπαντικά σε αυτή τη λειτουργία παρέχουν ένα προστατευτικό στρώμα, πολύ λεπτό φιλμ λιπαντικού, μειώνοντας τη φθορά και την τριβή. Δεν είναι κατ’ ανάγκη αρνητική, αρκεί να έχει προβλεφθεί από την κατασκευαστή.

Οριακή λίπανση συμβαίνει συνήθως ανάμεσα στα τοιχώματα των κυλίνδρων και στους δακτυλίους (ελατήρια) του εμβόλου μιας μηχανής εσωτερικής καύσης. Η μεμβράνη λιπαντικού σε αυτή την περιοχή μπορεί να είναι λεπτή ή ανεπαρκής για τον πλήρη διαχωρισμό των μεταλλικών επιφανειών, με αποτέλεσμα την άμεση επαφή μετάλλου με μέταλλο. Τα πρόσθετα οριακής λίπανσης χρησιμοποιούνται στο λιπαντικό για να σχηματίσουν ένα προστατευτικό στρώμα στα τοιχώματα του κυλίνδρου και στους δακτυλίους του εμβόλου, μειώνοντας την τριβή και τη φθορά.

Ο συντελεστής τριβής, και επομένως και οι απώλειες ισχύος λόγω τριβής, ακολουθούν ανάμεσα στις διάφορες καταστάσεις λίπανσης μία τυπική διαβάθμιση που αποτυπώνεται με την καμπύλη Stribeck (βλ. σχεδιάγραμμα).

Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι η χαμηλότερη τιμή του συντελεστή τριβής προαπαιτεί τη δημιουργία ενός λεπτού φιλμ λιπαντικού, χωρίς ωστόσο αυτό να είναι αρκετά παχύ. Ο λόγος είναι ότι ένα αρκετά παχύ στρώμα λιπαντικού ωθεί μεγαλύτερο όγκο λιπαντικού σε ροή, ενώ οι αδρανειακές δυνάμεις του λιπαντικού γίνονται μεγαλύτερες, απαιτώντας μεγαλύτερο ποσό ενέργειας για την κίνησή του.

Μία ενδεικτική τιμή για το βέλτιστο πάχος λιπαντικού είναι 40-60% της ακτινικής χάρης μεταξύ ρότορα και στάτορα, η οποία ενδεικτικά είναι περίπου 1.000 φορές μικρότερη από την ακτίνα του στροφέα.

Η επιλογή της μεθόδου λίπανσης εναπόκειται αποκλειστικά στον κατασκευαστή, του οποίου ο σχεδιασμός πρέπει να εξασφαλίζει ότι η συνθήκη λίπανσης θα λαμβάνει χώρα στις αναμενόμενες συνθήκες λειτουργίας.

Βιβλιογραφία

1. Elias Tsakiridis, Pantelis Nikolakopoulos, Fullerene Oil Tribology in Compression Piston Rings under Thermal Considerations, Lubricants Lubricants 2023, 11(12), 505
2. P. G. Nikolakopoulos, S. Mavroudis, A. Zavos: Lubrication performance of engine commercial oils with different performance levels: the effect of engine synthetic oil aging on piston ring tribology under real engine conditions. Lubricants, Vol. 6, No. 4, 90,2018.
3. A. Zavos, P.G. Nikolakopoulos: A tribological study of piston rings by power law oils,2016

*Ο κ. Ηλίας Τσακηρίδης είναι υποψήφιος διδάκτορας του Τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναπηγών μηχανικών. Ο κ. Παντελής Νικολακόπουλος είναι αναπληρωτής καθηγητής του Τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πάτρας.