Του Τρύφωνα-Χρυσοβαλάντη Ι. Αραβανή*
Γενικά
Λιπαντικά ορίζονται οι ρευστές ή ημίρρευστες χημικές συνθέσεις, που όταν εισαχθούν μεταξύ επιφανειών σε σχετική κίνηση μειώνουν τη μεταξύ τους αναπτυσσόμενη τριβή. Μία μηχανή (π.χ. κινητήρας εσωτερικής καύσης) αποτελείται από πολλά μηχανικά μέρη, τα οποία με τη χρήση καταπονούνται αρκετά. Σε αυτό ακριβώς το σημείο υπεισέρχεται το λιπαντικό. Ο ρόλος του είναι πολυδιάστατος, μια και εντός του κινητήρα κάνει διαφορετικές εργασίες. Το λιπαντικό εισχωρεί ανάμεσα στα μηχανικά μέρη για να μειώσει τις τριβές, άρα και να εμποδίσει την επικίνδυνη αύξηση της θερμοκρασίας, ενώ παράλληλα μειώνει και το θόρυβο από την επαφή των κινούμενων μερών. Σε έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης αυτοκινήτου υπολογίζεται ότι το 6% από την ενέργεια που αποδίδει το καύσιμο, καταναλώνεται σαν ενέργεια τριβών.
Η διάρκεια ζωής του κάθε λιπαντικού είναι ορισμένη και ορίζεται από τον κατασκευαστή του και στη συνέχεια από τον κατασκευαστή της μηχανής, ο οποίος γνωρίζει τις αντοχές και τις καταπονήσεις που δέχεται το μηχανικό σύνολο. Η σημερινή κατανάλωση λιπαντικών κυμαίνεται στο 1% περίπου της συνολικής κατανάλωσης καυσίμων. Ακόμα μια σημαντική λειτουργία του λιπαντικού είναι ότι, λόγω των ειδικών καθαριστικών συστατικών που διαθέτει, φροντίζει και απομακρύνει τα διάφορα υπολείμματα καύσης που δημιουργούνται.
Οι βασικές λειτουργίες των λιπαντικών είναι φυσικά η μείωση των τριβών και η προστασία έναντι των φθορών των κινούμενων μερών. Στην πραγματικότητα, όμως, τα λιπαντικά καλούνται να υπηρετήσουν επιπρόσθετες αποστολές, από τις οποίες μερικές είναι εξίσου σημαντικές για τη λειτουργία των μηχανημάτων. Κορυφαίοι κατασκευαστές μηχανών παγκοσμίως, έχουν αναγνωρίσει περισσότερες από σαράντα απαιτήσεις για τα λιπαντικά κινητήρων εσωτερικής καύσης.
Βασικές ιδιότητες λιπαντικών
Οι βασικές ιδιότητες που πρέπει να έχει ένα λιπαντικό, είναι οι εξής:
1. Λιπαντική ικανότητα: Σε αυτή την ιδιότητα οφείλεται η μείωση των τριβών, συνεπώς και των φθορών σε μία μηχανή. Με το σχηματισμό ενός «φιλμ» από λιπαντικό ανάμεσα στις κινούμενες μεταλλικές επιφάνειες, επιτυγχάνεται η μετατροπή της τριβής από «ξηρά» σε «υγρή». Οι λιπαινόμενες μεταλλικές επιφάνειες ασκούν πίεση, τείνοντας να απομακρύνουν το φιλμ του λιπαντικού, το οποίο για να αντισταθεί, πρέπει να είναι σε θέση να «φέρει» φορτίο. ʼξιο αναφοράς είναι ότι ενώ ο συντελεστής τριβής για την άμεση επαφή χάλυβα με χάλυβα φτάνει το 0,8 – 1, με την παρεμβολή λιπαντικού μέσου (ορυκτελαίου) σε καθεστώς υδροδυναμικής λίπανσης, μειώνεται στο 0,001 – 0,01.
2. Ψυκτική ικανότητα: Η θερμότητα που αναπτύσσεται από το έργο της μηχανής που καταναλώνεται σε ενέργεια τριβών, πρέπει να απαχθεί από τα σημεία τριβής για να αποτραπεί η δημιουργία υψηλών θερμοκρασιών. Το ρόλο του ψυκτικού μέσου παίζει το λιπαντικό. Η ικανότητα του λιπαντικού να ψύχει τις τριβόμενες επιφάνειες έχει άμεση σχέση με την ειδική του θερμότητα και τη θερμική του αγωγιμότητα. Έχει αποδειχθεί ότι το κύκλωμα ψύξης απορροφά το 60% της παραγόμενης θερμότητας, ενώ το υπόλοιπο 40% απάγεται μέσω του λιπαντικού.
3. Αντιδιαβρωτικότητα: Εξαιτίας αποικοδόμησης ή επιμόλυνσης, το λιπαντικό μπορεί να μετασχηματιστεί σε όξινο διάλυμα και λόγω αυτού να «επιτεθεί» στα μεταλλικά μέρη, μέσω οξειδωτικής αντίδρασης. Η υγρή ατμόσφαιρα και η έλλειψη χρήσης, επίσης, μπορεί να προκαλέσουν τα ίδια αποτελέσματα. Το λιπαντικό δεν πρέπει να περιέχει ούτε να δημιουργεί ουσίες που είναι δυνατό να προσβάλουν (διαβρώσουν) τις τριβόμενες επιφάνειες, καθώς και το υπόλοιπο σύστημα λίπανσης (αγωγούς και δεξαμενή αποθήκευσης). Σε κάθε περίπτωση το λιπαντικό πρέπει να είναι σχεδιασμένο να αντιμετωπίζει τα φαινόμενα αυτά. Πολλές φορές το λιπαντικό καλείται να προστατεύσει τις λιπαινόμενες επιφάνειες από διάβρωση οφειλόμενη σε εξωτερικούς παράγοντες, όπως είναι η υγρασία, το οξυγόνο κλπ.
4. Απορρυπαντική δράση: Το λιπαντικό πρέπει να αποτρέπει την αστοχία των μηχανικών μερών εξαιτίας της αποικοδόμησής του ή της επιμόλυνσής του με υποπροϊόντα καύσης. Τα κατάλοιπα, τα οποία συνήθως περιγράφονται ως «κάρβουνο», «βερνίκι» ή «λάσπη», μπορούν να επηρεάσουν τη σωστή και αποτελεσματική λειτουργία των μηχανών εσωτερικής καύσης. Σε ακραίες περιπτώσεις μπορεί να οδηγήσουν στο «κόλλημα» των δακτυλιδιών και να φράξουν το κανάλι κυκλοφορίας του λαδιού. Συνεπώς, ή παρεμπόδιση δημιουργίας καταλοίπων και η διασπορά των επιμολυντών είναι ζωτικής σημασίας για τα μηχανήματα.
5. Στεγανοποίηση: Σε κάθε περίπτωση, το λιπαντικό πρέπει να ενισχύει τη στεγανοποίηση μεταξύ των τριβομένων επιφανειών π.χ. μεταξύ των πιστονιών και των κυλίνδρων (πιστόνι – δακτυλίδι και δακτυλίδι – τοίχωμα κυλίνδρου) σε μηχανές εσωτερικής καύσης.
6. Σταθερότητα: Το λιπαντικό δεν πρέπει κάτω από τις δυσμενείς συνθήκες λειτουργίας να υφίσταται αλλοιώσεις τέτοιες που να απαγορεύουν την περαιτέρω χρήση του. Ένα μέγεθος που χαρακτηρίζει τα λιπαντικά είναι το ιξώδες. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι ο βαθμός ιξώδους προσδιορίζει τα χαρακτηριστικά ροής του λιπαντικού σε συγκεκριμένο θερμοκρασιακό εύρος, φανερώνοντας έτσι τη ρευστότητα του λιπαντικού (παχύρρευστο ή λεπτόρρευστο). Όσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός του ιξώδους (σε μια δεδομένη θερμοκρασία), τόσο πιο δύσκολα ρέει το υγρό («παχύρρευστο»), ενώ αντίθετα, όσο αυτό είναι μικρότερο τόσο πιο εύκολα ρέει («λεπτόρρευστο»). Το ιξώδες ενός λιπαντικού μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα σε σχέση με τη θερμοκρασία, πράγμα που σημαίνει ότι στις υψηλές θερμοκρασίες το λάδι γίνεται πιο λεπτόρρευστο. Στην πραγματικότητα, οι απαιτήσεις μας είναι διαμετρικά αντίθετες, αφού για την καλή λίπανση και την εύκολη εκκίνηση ενός κρύου κινητήρα εσωτερικής καύσης χρειάζεται χαμηλό ιξώδες. Η διατήρηση συνεπώς της ρευστότητας μέσα σε ορισμένα πλαίσια έχει ιδιαίτερη σημασία σε περιοχές όπου επικρατούν δύσκολες καιρικές συνθήκες και η θερμοκρασία παίρνει ακραίες τιμές, είτε θετικές είτε αρνητικές.
Κατηγοριοποίηση λιπαντικών
Πλέον τα λιπαντικά διακρίνονται στις ακόλουθες γενικές κατηγορίες:
– Λιπαντικά κινητήρων εσωτερικής καύσεως.
– Λιπαντικά βενζινοκινητήρων.
– Λιπαντικά ελαφρών πετρελαιοκινητήρων.
– Λιπαντικά δίχρονων εξωλέμβιων και κινητήρων μοτοσικλετών.
– Λιπαντικά τετράχρονων εξωλέμβιων και κινητήρων μοτοσικλετών.
– Λιπαντικά πετρελαιοκινητήρων.
– Λιπαντικά γραναζοκιβωτίων και συστημάτων μετάδοσης κίνησης.
– Λιπαντικά βιομηχανίας.
– Γράσα και σάπωνες.
Βαθμονόμηση χαρακτηριστικών και ονοματολογία λιπαντικών
Η βαθμονόμηση των χαρακτηριστικών και η ονοματολογία των λιπαντικών βασίζεται στη χρήση τους. Έτσι, λοιπόν:
1. Στα λιπαντικά τετράχρονων κινητήρων εσωτερικής καύσεως, στις βαλβολίνες και στα λιπαντικά συστημάτων μετάδοσης κίνησης, χρησιμοποιείται η βαθμονόμηση κατά την Αμερικάνικη Ένωση Μηχανικών Αυτοκινήτων (Society of Automotive Engineers [S.A.E.]). Κατά S.A.E., τα λιπαντικά διαιρούνται σε κλάσεις με βάση το ιξώδες τους. Η μέτρηση του ιξώδους γίνεται στους 0oF (-17,8°C) εκφραζόμενο σε cP (centipoise) και στους 210oF (98,8οC) εκφραζόμενο σε cST (centistrokes), δίνοντας αντίστοιχα δύο αριθμούς. Ο πρώτος δηλώνει τη συμπεριφορά του λιπαντικού στις χαμηλές θερμοκρασίες (με την ένδειξη W), ενώ ο δεύτερος στις υψηλές θερμοκρασίες. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι αριθμοί SAΕ που αναγράφεται στη συσκευασία, δεν εκφράζουν κάποια συγκεκριμένη τιμή ιξώδους, αλλά αντιπροσωπεύουν μια περιοχή τιμών μέσα στην οποία διαπιστώθηκε ότι ανήκει το εν λόγω λιπαντικό. Σύμφωνα με την ονοματολογία κατά SAE, υπάρχουν τα μονοβάθμια ή μονότυπα λιπαντικά και τα πολυβάθμια ή πολύτυπα ή πολλαπλής ρευστότητας (Multigrade) λιπαντικά:
* Μονότυπα ονομάζονται τα λιπαντικά που προσαρμόζουν το ιξώδες τους (τη ρευστότητά τους) σε μικρό φάσμα θερμοκρασιών. Το μονότυπο λιπαντικό ικανοποιεί τις απαιτήσεις της S.A.Ε. σε μία μόνο από τις θερμοκρασίες μέτρησης και χαρακτηρίζεται από ένα μόνο αριθμό π.χ. S.A.Ε. 20W ή S.A.Ε. 30. H ρευστότητα αυτών των λαδιών οφείλει να βρίσκεται μέσα στα πλαίσια που καθορίζουν οι προδιαγραφές, μόνο όταν το λάδι είναι «ζεστό» (98,8οC).
* Πολύτυπα ονομάζονται τα λιπαντικά που προσαρμόζουν και διατηρούν τη ρευστότητά τους σε ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Το πολύτυπο λιπαντικό ικανοποιεί τις απαιτήσεις της S.A.Ε. για δύο θερμοκρασίες μέτρησης, και έτσι χαρακτηρίζεται και από δύο αριθμούς (π.χ. S.A.E. 10W/40, SAE 20W/50, SAE 75W/90). H ρευστότητα αυτών των ελαίων οφείλει να βρίσκεται μέσα στα πλαίσια που καθορίζουν οι προδιαγραφές, όταν το λιπαντικό είναι και «κρύο» και «ζεστό» (-17,8°C και στους 98,8°C αντίστοιχα). Ο πρώτος αριθμός, που ακολουθείται από το γράμμα W, δείχνει την «κρύα» ρευστότητα του λιπαντικού, ενώ ο δεύτερος τη «ζεστή». Όσο πιο μεγάλοι είναι αυτοί οι αριθμοί τόσο πιο παχύρρευστο είναι το λιπαντικό. Έτσι, ένα έλαιο 10W-50 θα είναι πιο λεπτόρρευστο στις χαμηλότερες θερμοκρασίες και πιο παχύρρευστο στις υψηλές, από ένα έλαιο 20W-40.
Το πρόθεμα W αναφέρεται στα χαρακτηριστικά ροής του λιπαντικού σε χαμηλές θερμοκρασίες (winter: χειμώνας).
Η ρευστότητα των μονότυπων επηρεάζεται λιγότερο από τις αλλαγές της θερμοκρασίας από ό,τι των πολύτυπων. Το ιξώδες ενός μονότυπου λιπαντικού αυξάνει με την πτώση της θερμοκρασίας πολύ περισσότερο, απ? όσο αυξάνει η ρευστότητα ενός πολύτυπου.
2. Στα λιπαντικά βιομηχανίας έχει υιοθετηθεί η ονομασία ISO VG (International Organization for Standardization Viscosity Grade). Σύμφωνα με το ISO, τα βιομηχανικά λιπαντικά χαρακτηρίζονται σύμφωνα με το ιξώδες τους στους 40οC. (ISO VG 32, ISO VG 68, ISO VG 150).
3. Τέλος, στα γράσα χρησιμοποιείται η βαθμονόμηση κατά NLGI (National Lubricating Institute), βάσει της οποίας όσο μικρότερος είναι ο απόλυτος αριθμός, τόσο λεπτόρρευστο είναι το γράσο: NLGI 00, NLGI 0, NLGI 1, NLGI 2, NLGI 3.
Βελτίωση ποιότητας λιπαντικών
Για τη βελτίωση των ιδιοτήτων και της ποιότητας των λιπαντικών, αυτά εμπλουτίζονται με ορισμένες ουσίες γνωστές σαν «πρόσθετα». Τα κυριότερα είδη προσθέτων, είναι τα εξής:
1. Βελτιωτής δείκτη ιξώδους. Αποτελείται από μείγμα πολυμερών που μειώνουν το βαθμό μεταβολής του ιξώδους σε σχέση με τη θερμοκρασία. Το πρόσθετο αυτό είναι ανενεργό στις χαμηλές θερμοκρασίες, αλλά αυξάνει το ιξώδες του λιπαντικού στις υψηλότερες θερμοκρασίες, αντισταθμίζοντας έτσι τη φυσική τάση του ελαίου να γίνει πιο λεπτόρρευστο.
2. Απορρυπαντικά πρόσθετα. Χρησιμοποιούνται για να διατηρούν καθαρό τον κινητήρα, αποτρέποντας το σχηματισμό αποθέσεων.
3. Διασκορπιστές. Όπως και τα απορρυπαντικά πρόσθετα, έχουν σκοπό να διατηρούν τον κινητήρα καθαρό, πράγμα που επιτυγχάνουν κρατώντας τις διάφορες ακαθαρσίες σε συνεχή αιώρηση και μεταφέροντάς τες στο φίλτρο ελαίου.
4. Πρόσθετα κατά της φθοράς. Τα λιπαντικά μεγάλου ιξώδους προστατεύουν τους ολισθητήρες των εκκεντροφόρων από φθορά, αλλά αυτά τα πρόσθετα δημιουργούν επιπλέον ένα μικροσκοπικό χημικό στρώμα σε κάθε μία από τις τριβόμενες επιφάνειες, αποτρέποντας την επαφή μετάλλου με μέταλλο.
5. Αντιοξειδωτικά πρόσθετα. Αποτρέπουν την οξείδωση του λιπαντικού.
6. Αντιδιαβρωτικά πρόσθετα. Μειώνουν τη δράση του νερού και των οξέων που σχηματίζονται μέσα στο λιπαντικό (για παράδειγμα στους κινητήρες πετρελαίου [diesel], όπου δημιουργούνται κατά την καύση ιδιαίτερα διαβρωτικές ουσίες, από το θείο που περιέχεται στο καύσιμο).
7. Αντιαφρώδη πρόσθετα. Οι ταχύτητες με τις οποίες κινείται το λιπαντικό μέσα στον κινητήρα αυξάνουν τις πιθανότητες να απορροφηθεί από το έλαιο αέρας και να δημιουργηθεί αφρός, μειώνοντας έτσι δραστικά τις λιπαντικές του ιδιότητες.
8. Πρόσθετα που αυξάνουν την αντοχή του φιλμ του λιπαντικού κάτω από μεγάλες θερμοκρασίες και πιέσεις.
Κριτήρια επιλογής λιπαντικού
Η επιλογή του σωστού λιπαντικού γίνεται σύμφωνα με τις οδηγίες του κατασκευαστή. Στο εγχειρίδιο του μηχανήματος αναφέρονται όλες οι απαραίτητες πληροφορίες, και συγκεκριμένα:
* Οι προτεινόμενες προδιαγραφές λιπαντικού.
* Ο προτεινόμενος βαθμός ιξώδους (σύμφωνα με τις κλιματολογικές / θερμοκρασιακές συνθήκες).
* Ο προτεινόμενος χρόνος αλλαγής λιπαντικού (εκφραζόμενος σε χιλιομετρική διάνυση ή σε ώρες λειτουργίας).
Ειδικά για έναν κινητήρα αυτοκινήτου είναι προφανής ο ρόλος που παίζει το λιπαντικό στην οικονομία καυσίμων και στη μακροζωία της μηχανής του. Η επιλογή του κατάλληλου λιπαντικού πρέπει να γίνεται πάντα σύμφωνα με το βιβλίο του κατασκευαστή του αυτοκινήτου, ενώ συνιστάται η αποφυγή προϊόντων άγνωστων κατασκευαστών, αμφίβολης ποιότητας και πολλές φορές ύποπτης προέλευσης. Η οικονομία στην επιλογή του λιπαντικού μπορεί να οδηγήσει σε οδυνηρές εμπειρίες. Τα τελευταία χρόνια οι κατασκευαστές σχεδιάζουν τους κινητήρες έτσι ώστε να μπορούν να λειτουργούν με πιο λεπτόρρευστα λάδια (10W-30 ή 15W-40), τα οποία, αφού παρουσιάζουν μικρότερη συνεκτικότητα, μειώνουν και τις απώλειες λόγω τριβών, και άρα εξασφαλίζουν οικονομικότερη λειτουργία (περίπου 3%).
Πολλοί θεωρούν ότι η χρήση ενός πιο πυκνόρρευστου λαδιού (π.χ. 20W-50) θα έδινε μεγαλύτερη προστασία στον κινητήρα. Αυτό είναι τελείως λανθασμένο. Κατ? αρχάς εξανεμίζεται η οικονομία καυσίμων που εξασφαλίζει το πιο λεπτόρρευστο λάδι και από την άλλη στις χαμηλές θερμοκρασίες γίνεται προβληματική η εκκίνηση και η έγκαιρη λίπανση των μηχανικών μερών. Αντίθετα, η χρήση λεπτόρρευστων λαδιών σε κινητήρες που ο κατασκευαστής τους συνιστά τη χρήση ενός λιπαντικού 20W-50, θα οδηγήσει σε ταχύτερη φθορά του κινητήρα και πιθανώς σε αστοχία των εδράνων. Πέρα όμως από τη σωστή επιλογή, πρέπει να γίνεται τακτικός έλεγχος και αλλαγή των λαδιών. Η κίνηση μάλιστα σε μικρές διαδρομές, ιδίως μέσα στην πόλη, κάνουν αναγκαία τη συντόμευση του χρόνου αλλαγής. Προσοχή λοιπόν στη σωστή λίπανση, για την αποφυγή δυσάρεστων εκπλήξεων.
* Ο κ. Τρύφωνας – Χρυσοβαλάντης Ι. Αραβανής είναι τελειόφοιτος φοιτητής του Τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστήμιου Πατρών.
