Corso Pas 2014 Università di Camerino Dipartimento di Scienze e Tecnologie

1. Corso Pas 2014 Università di CamerinoDipartimento di Scienze e Tecnologie Materia: Fluidodinamica Titolo: Viscosità e olio motore Corsista: Fabio Di Iulio_091836

2. Viscosità e olio motore

3. La lubrificazione: L’attrito è definito come la forza che si oppone al moto relativo di due superfici; Il lubrificante si interpone tra le superfici sostituendo all’attrito dovuto al contatto dei materiali il proprio che è generalmente molto inferiore; La resistenza al moto dovuta all’attrito è misurata dal coefficiente d’attrito. In funzione del carico, della temperatura e della velocità si definiscono diversi regimi di lubrificazione. Proprietà dei lubrificanti: • Tenere separate le superfici in tutte le condizioni di carico; • Agire da fluido di raffreddamento, rimuovendo il calore prodotto per attrito o proveniente da sorgenti esterne; • Essere sufficientemente stabile; • Proteggere la superficie dall’attacco degli agenti atmosferici;

4. La viscosità: è la proprietà più importante, tipica del lubrificante; è in stretto rapporto con lo spessore del velo d’olio tra le superfici: a parità di carico e di velocità, a viscosità maggiori corrispondono spessori di velo d’olio maggiori. Nei lubrificanti liquidi diminuisce al crescere della temperatura. Viscosità dinamica: la sua determinazione è importante per valutare l’avviamento a freddo dei motori. Viscosità cinematica: è utilizzata universalmente per indicare la viscosità dei lubrificanti a caldo; Indice di viscosità: la viscosità degli oli diminuisce al crescere della temperatura. Quanto minore è tale diminuzione , tanto maggiore è la sua capacità di lubrificare in tutte le condizioni di temperatura. Una misura relativa della variazione di viscosità con la temperatura ci è fornita dall’indice di viscosità.

5. La prova di laboratorio • VISCOSIMETRO DI ENGLER

6. In laboratorio…………………… • Il viscosimetro è costituito da un recipiente metallico in ottone con al centro della base un foro, comunicante con un piccolo capillare calibrato, attraverso il quale dovrà defluire il liquido. Sulle pareti interne del recipiente, una serie di tre punte, poste a 120° l'una dall'altra, segnala il livello che deve raggiungere il liquido per la misura. Il recipiente è munito di coperchio a doppia parete con due fori, uno per il termometro che misura la temperatura del liquido e l'altro per l’ otturatore, perfettamente sagomata per chiudere il foro di deflusso. Un secondo vaso metallico in ottone, disposto coassialmente al primo, funziona da termostato ed è dotato di termometro e di agitatore a palette da azionare a mano. In questo recipiente viene posto il liquido riscaldante che dovrà portare il campione alla temperatura di prova. Il viscosimetro è corredato di una lampada anulare a gas, da fissare attraverso un morsetto alle aste di sostegno dell'apparecchio, e di due vasi di raccolta in vetro, a due bolle con incisi i segni di livello di 100 cc e 200 cc.

7. Conduzione della prova • Si inserisce nel recipiente piccolo il liquido di riferimento (acqua) fino al livello indicato dalle tre punte. Nel secondo recipiente, coassiale al primo, viene posto il liquido riscaldante per portare il primo alla temperatura stabilita. Viene chiuso il coperchio, facendo attenzione che l' otturatore chiuda perfettamente il foro alla base. Si attende, agitando il liquido riscaldante, che il liquido di riferimento sia arrivato alla temperatura stabilita, si interrompe il riscaldamento e si solleva l'otturatore. Si misura il tempo di deflusso di 200 cc di acqua distillata, seguendo le indicazioni di livello liquido del recipiente di raccolta. Una volta eseguita questa operazione, si ripete tutto con il liquido da esaminare. Il rapporto fra il tempo di deflusso del liquido in esame e quello dell'acqua rappresenta la viscosità relativa in gradi Engler. Per esempio 200 ml di un olio in esame defluiscono a 40°C in 600 secondi; 200 ml di acqua distillata alla stessa temperatura defluiscono in 60 secondi. La viscosità relativa a 40°C espressa in gradi Engler sarà 600/60=10 °E a 40°C

8. Altre caratteristiche importanti • HTHS ( High Temperature high shear ) « una misura più rappresentativa della viscosità in alcuni punti specifici del motore come ad esempio i cuscinetti di banco»; • Punto di scorrimento « la temperatura cui l’olio motore cessa di scorrere liberamente»; • Punto d’infiammabilità o Flash Point «la temperatura alla quale i vapori sviluppatisi in condizioni standard prendono fuoco in presenza di una fiamma libera»; • Perdite per evaporazione «le frazioni volatili presenti nel lubrificante sono un parametro importante per valutare il potenziale consumo d’olio in esercizio

9. Da cosa è composto il lubrificante?

10. Da cosa è composto un lubrificante? • Oli base minerali: rappresentano il componente ancora preponderante nella stragrande maggioranza dei lubrificanti. È evidente che dalla loro qualità dipende in maniera decisiva quella dell’olio finito; • Basi sintetiche: accanto alle basi minerali, ottenute dalla lavorazione del greggio, acquistano sempre maggior importanza, così definite perché non presenti nel greggio o perché non si ottengono per semplice trattamento fisico – chimico del greggio stesso; hanno una volatilità inferiore a pari viscosità (minor consumo in esercizio), indice di viscosità superiore (temperature d’impiego più ampio), miglior stabilità alla temperatura (vita utile più lunga); il loro impiego è legato a: • vincoli sulle prestazioni imposti dal costruttore • vincoli ambientali • Esigenze di marketing (oli prestazionali e quindi più costosi)

11. Da cosa è composto un lubrificante? • Gli additivi: il loro scopo è quello che di migliorare le caratteristiche intrinseche delle basi. I principali sono: • Modificatori di viscosità; • Miglioratori del punto di scorrimento; • Antischiuma; • Antiusura; • Detergenti; • Disperdenti; • Anticorrosivi; • Antiossidanti; • Modificatori d’attrito;

12. Modificatori di viscosità: influenzano l’andamento viscosità – temperatura, rallentando la sua diminuzione al crescere della temperatura. Potere ispessente: misura l’efficacia dell’additivo ai fini della modifica della viscosità; Stabilità al taglio meccanico: la rottura delle catene polimeriche dovuta agli sforzi meccanici porta ad una perdita di efficacia. È fondamentale quindi che il modificatore di viscosità mantenga il suo potere ispessente il più a lungo possibile. Almeno entro l’intervallo di cambio olio.

13. Miglioratori del punto di scorrimento: impediscono la crescita dei cristalli di paraffina che si formano a basse temperature, mantenendo così ottimali le caratteristiche di scorrimento del lubrificante. • Antischiuma: agiscono modificando le proprietà superficiali del lubrificante all’interfaccia aria – olio; • Disemulganti: facilitano la separazione fra olio e acqua accumulata al suo interno. L’acqua essendo un normale prodotto della combustione può accumularsi in misura notevole nei casi in cui il motore viene utilizzato per brevi tragitti, soprattutto nei periodi invernali. Agiscono diminuendo l’affinità tra olio e acqua e permettendo l’aggregazione delle minute goccioline d’acqua , favorendone la decantazione. • Detergenti: controllano i depositi che si formano ad alta temperatura per degradazione termo - ossidativa del lubrificante evitando la loro aggregazione e la loro partecipazione sulle superfici metalliche calde (Es. Lacche e carbone). • Disperdenti: disperdono i composti insolubili che si formano prevalentemente a basa temperatura (morchie) impedendo la loro coalescenza e precipitazione. Rappresentano oltre il 50 % dell’additivazione totali; sono quindi fondamentali ai fini delle prestazioni.

14. Antiusura: in condizioni di carico medio – alte o elevate, reagiscono con le superfici, decomponendosi e formando strati a basso coefficiente d’attrito. Esistono diversi tipi di usure; ognuna di esse richiede una soluzione specifica in termini di additivo antiusura. • Antiossidanti: bloccano e rallentano la reazione tra le molecole del lubrificante e l’ossigeno dell’aria (auto – ossidazione). L’ossidazione è il meccanismo principale di deterioramento dei lubrificanti causa di morchie, lacche e carbone. • Anticorrosivi/antiruggine: gli inibitori di corrosione agiscono creando una barriera fisica sulla superficie metallica, che impedisce l’attacco da parte degli agenti corrosivi (acqua, prodotti acidi, ossidanti…). • Modificatori d’attrito: aderiscono alle superfici metalliche con legami di tipo chimico e/o fisico. Questa classe di additivi viene impiegata nei lubrificanti da competizione a bassa gradazione invernale (SAE 0w30, 5w30) ma anche nei prodotti di ultima generazione (Energy Conserving). I vantaggi di questi additivi sono di tipo prestazionale: • Riducono l’assorbimento di potenza dovuto all’attrito • Riducono il consumo di carburante Non sono adatti per motori 4 t motociclistici che hanno la frizione in bagno d’olio per motivi di slittamento fra dischi condotti e conduttori e per problemi legati al consumo dei gommini parastrappi.

15. Come scegliere l’olio giusto • La lubrificazione dei motori a combustione interna è più complessa di qualsiasi altra macchina a causa dell’estrema variabilità delle condizioni di carico, velocità, temperatura e della varietà di materiali. In particolare: • La zona cilindro-pistone sente particolarmente l’effetto della temperatura e dei prodotti acidi di combustione e ossidazione dell’ olio (depositi, usura adesiva ai punti morti, polishing dei cilindri); • La zona albero a camme, piattelli, bilancieri opera in regime di lubrificazione mista (usura adesiva, usura a fatica); • La zona albero motore, biella, spinotto di biella opera in regime idrodinamico (usura corrosiva, cavitazione, effetti legati a viscosità non adeuata) • Gli ingranaggi del cambio se non protetti da idonee caratteristiche dell’olio possono irrimediabilmente danneggiarsi. Per realizzare la nostra scelta occorre capire in che modo gli oli motore vengono classificati.

16. Classificazione viscosimetrica«Gradi SAE (Society of automotiveengineers)»

17. Impariamo a leggere la tabella In questa specifica vengono citati i «GRADI SAE W» (dalla parola inglese winter) che stanno ad indicare il valore massimo di viscosità che consente l’avviamento del motore alle basse temperature. Ad esempio un olio avente GRADO SAE 10 W deve avere a -20° una viscosità di dinamica di 3500 cP (centopoise). Questo vuol dire che questo tipo di olio permette l’avviamento del motore fino a una temperatura di -20°. L’olio deve apporre la minima resistenza all’avviamento e deve essere pompabile per raggiungere il più rapidamente possibile tutte le zone da lubrificare; ecco perché i GRADI SAE W includono anche la temperatura limite di pompabilità. Nella tabella sottostante troviamo i «GRADI SAE NORMALI» che fissano invece l’intervallo di viscosità misurata a 100° con un viscosimetro a capillare. La scelta è legata alla gravosità delle temperature di esercizio a caldo. Ovviamente più l’olio è viscoso ,più alto è il suo GRADO NORMALE più è spesso il velo d’olio che si interpone tra le superfici da lubrificare, maggiore è la protezione delle superfici stesse. In un olio GRADO SAE 40 la viscosità cinematica misurata a 100°è compresa tra 12,5 e 16,3 centistoke.

18. Dagli oli «Unigrado» a quelli «Multigrado» Quando un lubrificante per le sue caratteristiche di viscosità cinematica a 100° e di viscosità dinamica a freddo rientra contemporaneamente nei «Gradi SAE normali» e nei «Gradi SAE W» può essere classificato come MULTIGRADO(15w40 se ha una viscosità a 100° compresa tra 12,5 e 16,3 cSte una viscosità a -15° di 3500 cP e una pompabilità possibile fino a -25°). http://youtu.be/XIAxxZIIBzs • Sono meno sensibili alle variazioni di temperature; • Consentono l’avviamento del motore anche a basse temperature; • Nella fase di avviamento a freddo è assicurata la massima pompabilità; • Nel funzionamento a regime è garantita la viscosità adeguata in tutte le parti del motore (consumo d’olio ridotto); • Per le elevate velocità di rotazione si osserva una riduzione controllata della viscosità (minor consumo di carburante). Per gli oli multigradi sono stati recentemente introdotti limiti relativi alle perdite temporanee di viscosità alle alte temperature sotto la sollecitazione di taglio a caldo HTHS, fisando un valore minimo di viscosità cinematica misurata a 150°.

19. Classificazioni prestazionali Tra le diverse classificazioni quella Europea è l’ACEA (Associazione dei Costruttori Europei di Autoveicoli) che definisce le prestazioni degli oli motore idonei per i motori di fabbricazione europea. Le specifiche Acea sono nate per ottenere in livello qualitativo più affidabile, prestazioni più elevate e maggior rispetto ambientale nelle nuove motorizzazioni. L’adozione di specifiche ACEA comporta: • l'introduzione di nuove formulazioni con materie prime innovative rispetto a quelle utilizzate per le stesse destinazioni d'uso • l'analisi e la certificazione delle prestazioni di ogni singola formula utilizzata • vincolo da parte del produttore a non cambiare i componenti della formula già certificata • certificazione ISO 9001/2 degli impianti di produzione • osservanza da parte del produttore delle norme ATIEL, l'ente che insieme al Comitato dei Produttori di Additivi ha definito metodologia e parametri alla base della certificazione ACEA.

20. Classificazioni prestazionali Le lettere (classi) identificano le diverse tipologie di motori nel modo seguente: • [A] - per motori benzina • [B] - per i diesel leggeri • [C] - per motori provvisti di sistemi di post-trattamento per abbattimento emissioni • [E] - per i diesel pesanti Le categorie numeriche indicano i diversi usi ed applicazioni all'interno di una determinata classe di lettere, legate a più livelli di performance dell'olio.

24. Conclusioni Nella tabella SAE attuale il minimo indice è lo 0W, mentre il massimo è il 60 (attenzione a non confonderli con gli indici degli olii per trasmissione, che hanno uno standard differente). Quindi l’olio teorico perfetto secondo questa tabella sarebbe un SAE 0W60. L’unico olio ad avere questa caratteristica è il SynLube prodotto per la NASA e costa 90 dollari al litro. Ma attenzione, è un olio che forse va bene per un astronave, ma non può essere “digerito” dai nostri motori attuali. Ultimamente la SAE ha introdotto un ulteriore test per la verifica degli olii a freddo, cosicchè i 10W vengono testati a -25°C, i 5W a -30°C e i 0W a -35°C. Da qui le prime deduzioni: • a freddo l’olio tende a solidificarsi (come un gel, a temperature inferiori ai -40°C), smettendo di scorrere e quindi di lubrificare (“punto di scorrimento”), quindi gli additivi andranno ad abbassare la viscosità e allontanare il punto di scorrimento. Un olio 10W è quindi migliore rispetto a un 20W, e un 5W è un olio migliore rispetto a un 10W. Più il numero è basso, migliore è il comportamento alle bassissime temperature. L’olio 0W ha la stessa viscosità di un 5W a -18°C, ma ha un additivo che abbassa il punto di scorrimento a -46°C. • A caldo l’olio tende ad avere un comportamento simile all’acqua (oltre i 300°C), scorrendo troppo velocemente e quindi non lubrificando. Gli additivi andranno ad aumentare la viscosità. In questo caso se il numero è più alto abbiamo un olio che continua a lubrificare bene alle altissime temperature.Possiamo quindi immaginare l’”olio ideale” come l’olio che mantiene inalterato un ottimale range di lubrificazione indipendentemente dalle grandi variazioni di temperatura.

25. Conclusioni Gli errori più comuni che si fanno leggendo le sigle SAE sono i seguenti: • è sbagliato mettere in relazione i due indici, dato che a prima vista sembrerebbe una maggiore viscosità a caldo rispetto che a freddo (dato il numero più alto). In realtà l’olio è ovviamente più denso e viscoso quando è freddo. I due indici si riferiscono a due misurazioni differenti e a due unità di misura differenti, e sono unicamente un “incasellamento” di queste misurazioni • è sbagliato confondere i numeri con le temperature esterne, che non c’entrano assolutamente niente. Un buon olio 10W40 sintetico ha un range di utilizzo da -30 a oltre 200°C • Molti errori sono stati causati da una interpretazione assoluta di tabelle che sono solo approssimative per aiutare gli utenti nella scelta dell’olio. Eccone una:

26. Conclusioni

27. Conclusioni • Da questa tabella è facile mettere in numeri in relazione alla temperatura, benchè sia un modo poco corretto di vedere la questione. Ma tabelle come queste possono però dare una prima idea all’utente. • Una tabella più veritiera è invece la seguente:

28. Conclusioni Qualche appunto: Indice a freddo: il 10W va benissimo per ogni condizione. Scegliere un 5W se si viaggia in inverno in Canada o in Scandinavia.Indice a caldo: il 40 va bene per ogni condizione. Olii più densi non sono consigliati per motori con tolleranze di accoppiamento bassissime. Più che altro scegliere un 50 se si ha un motore con una cilindrata grossa che lavora a bassi giri, o una cilindrata media con alta potenza che lavora ad alti giri. La densità di un 50 toglie potenza al motore rispetto a un 40, avvertibile quindi soprattutto da motori con modesta cilindrata e potenza.

29. Conclusioni DIFFERENZE TRA UN 10W40 SINTETICO E UN 10W40 MINERALE • Apparentemente due olii con gli stessi indici di viscosità sembrano uguali, ma ci sono altre caratteristiche nell’olio. Cominciamo a vedere questa tabella della Amsoil, riguardante altri parametri di confronto:

30. Esercizi per casa……… • Ricerca sulla tipologia di olio prevista per la motorizzazione della macchina di papà o mamma consultando il libretto uso e manutenzione del veicolo; • Analisi delle caratteristiche dell’olio individuato in relazione al tipo di motorizzazione. • Ulteriori approfondimenti personali.