مکانیک , مهندسی 129 بازدید

قبلاً در مجله فرادرس، ویسکوزیته را به عنوان یکی از ویژگی‌های فیزیکی سیال تعریف کردیم که تمایل آن را به جاری شدن نشان می‌دهد. در ادبیات روزمره، به سیالاتی که ویسکوزیته (Viscosity) بالایی دارند، غلیظ و به آنهایی که ویسکوزیته پایینی دارند، رقیق گفته می‌شود. ویسکوزیته در روغن موتور (Engine Oil) اهمیت به سزایی دارد و تغییرات آن، عملکرد روغن را در روان‌کاری و محافظت از قطعات متحرک به کار رفته در موتورهای احتراق داخلی (Internal Combustion Engine) تحت تأثیر قرار می‌دهد.

اگر ویسکوزیته روغن موتور خیلی پایین باشد، پمپ روغن قادر به تأمین فشار لازم برای به گردش در آوردن آن نخواهد بود. علاوه بر این، در چنین حالتی روغن هم توانایی تحمل نیروهای وارد شده بین قطعات متحرک را ندارد. در نتیجه، بین قطعات متحرک سایش و خوردگی اتفاق می‌افتد. در سوی مقابل، اگر ویسکوزیته روغن موتور خیلی بالا باشد، باز هم پمپ در به گردش در آوردن روغن به مشکل می‌خورد. علاوه بر این، چنین روغنی قادر به نفوذ به فضاهای خالی بین قطعات کوچک نخواهد بود. از این رو، باز هم خرابی و سایش رخ خواهد داد. پس ویسکوزیته روغن موتور انتخاب مهمی است و باید در بهینه‌ترین حالت ممکن قرار گیرد.

اندازه‌گیری ویسکوزیته روغن

در اندازه‌گیری ویسکوزیته، معمولاً از دو واحد مختلف صحبت می‌شود. واحد اصلی ویسکوزیته، سانتی‌پواز ($$\large cP$$ یا معادل آن $$\large mPa.s$$) است. این واحد اندازه‌گیری، حرکت لایه‌های مختلف سیال را در مواجهه با یک نیروی افقی، نشان می‌دهد. ویسکوزیته دینامیکی (Dynamic Viscosity)، نامی است که برای این واحد به کار می‌رود. اما شکل دیگری از ویسکوزیته نیز وجود دارد که به ویسکوزیته سینماتیکی (Kinematic Viscosity) معروف است. ویسکوزیته سینماتیکی با واحد سانتی‌استوک ($$\large cSt$$ یا معادل آن $$\large mm ^2 /s$$) اندازه‌گیری می‌شود. این واحد اندازه‌گیری، به حرکت سیال تحت نیروی گرانش دلالت دارد و شکلی از ویسکوزیته را بیان می‌کند که کاربرد آن بیشتر است.

اندازه گیری ویسکوزیته

یکی از قدیمی‌ترین و رایج‌ترین روش‌های اندازه‌گیری ویسکوزیته، استفاده از ابزاری به نام ویسکومتر کاپیلاری (Capillary Viscometer) است که شماتیک آن را در شکل بالا مشاهده می‌کنید. حجم اندکی از سیالی که قرار است مورد آزمایش قرار بگیرد، به کمک فشار هوا در قسمت بالای لوله قرار داده می‌شود. سپس فشار قطع شده و مدت زمانی که طول می‌کشد سیال از قسمت بالای لوله عبور کند، اندازه‌گیری می‌شود. این زمان برای سیالاتی با ویسکوزیته بالا، طولانی‌تر و برای سیالاتی با ویسکوزیته پایین، کوتاه‌تر خواهد بود. در حین مراحل آزمایش، ویسکومتر درون حمامی قرار می‌گیرد که دمای آن قابل کنترل است. به این ترتیب، اندازه‌گیری در دمای مشخصی از سیال انجام می‌گیرد.

مفهوم اعداد SAE در روغن موتور

ویسکوزیته روغن موتور هم مانند هر سیال دیگری، با دما و فشار تغییر می‌کند. از آنجایی که شرایط دما و فشاری که هر موتور اتومبیل در آن کار می‌کند، در محدوده مشخصی قرار می‌گیرد، می‌توان نیازمندی‌های مربوط به روغن موتور را درجه‌بندی و استانداردسازی کرد. انجمن مهندسین خودرو (Society of Automotive Engineers) در آمریکا که به اختصار با SAE نمایش داده می‌شود،‌ استانداردهای لازم را در مورد عملکرد روغن موتور منتشر می‌کند. انتشار اولین نسخه از استاندارد ویسکوزیته روغن موتور ($$ SAE \:J300$$) توسط این انجمن، به سال ۱۹۱۱ میلادی بازمی‌گردد. هدف از این استانداردها، شناسایی روغن مناسب برای استفاده در موتور اتومبیل و یادگیری آسان آن برای کاربران است. اولین درجه‌بندی انجمن SAE، شامل پنج درجه $$10$$، $$20$$، $$30$$، $$40$$ و $$50$$ برای روغن موتور بود. این پنج مقدار، مطابق جدول زیر براساس دبی اندازه‌گیری شده در دمای $$\large 100\: ^\circ C$$ ($$\large 212\: ^\circ F$$) درجه‌بندی شده‌اند. در این آزمایش، دبی به عنوان مدت زمانی که طول می‌کشد تا مقدار مشخصی از روغن از مقابل یک نقطه عبور کند، تعریف شده است.

مشخصات روغن موتور

در سال 1926، درجه $$\large SAE \: 60$$ هم به مقادیر قبلی اضافه شد و اندازه‌گیری‌های ویسکوزیته در دو دمای $$\large 100\: ^\circ C$$ و $$\large 55\: ^\circ C$$ انجام گرفت. اصلاحات انجام شده روی این استانداردها ادامه پیدا کرد تا جایی که در سال 1952، عبارت جدیدی به ابتدای استاندارد قبلی اضافه شد. مشخصه این عبارت جدید، حرف $$\large W$$ (حرف اول کلمه Winter) است که به صورت $$\large 10\:W$$، $$\large 15\:W$$، $$\large 20\:W$$، $$\large 25\:W$$ و $$\large 30\:W$$ و براساس اندازه‌گیری ویسکوزیته در دمای $$\large 0\: ^\circ F$$ نوشته می‌شود.

این تغییرات بدین منظور انجام شد که در دماهای پایین هوا، عملکرد روغن مشکلاتی را بروز می‌داد. اما مشکل در اینجا برطرف نشد. برخی از انواع روغن که منشأ متفاوتی داشتند ولی شاخص SAE آنها یکسان بود، در دماهای نزدیک به انجماد، رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دادند. از این رو، شاخص جدیدی به نام شاخص ویسکوزیته (VI) وارد محاسبات شد. هرچه شاخص ویسکوزیته یک روغن موتور کمتر بود، کیفیت آن روغن در محافظت از موتور هم پایین‌تر می‌آمد. پیشرفت‌ها در علم شیمی منجر به ظهور مکمل‌های شیمیایی شد. این مکمل‌ها قادر بودند در صورت ترکیب با روغن موتور، شاخص ویسکوزیته آن را بالا ببرند تا هم در دماهای پایین و هم در دماهای بالا عملکرد مناسبی داشته باشند. بنابراین انواع روغن موتور به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند.

روغن موتور تک درجه‌

دسته اول، روغن موتورهای تک درجه‌ (Single-grade) هستند که در شش گروه $$0W$$، $$5W$$، $$10W$$، $$15W$$، $$20W$$ و $$25W$$ برای زمستان و پنج گروه $$20$$، $$30$$، $$40$$، $$50$$ و $$60$$ برای فصول غیر زمستان قرار می‌گیرند. در بین درجه‌های مربوط به زمستان، هرچه درجه ویسکوزیته کمتر باشد، عملکرد روغن در دمای پایین مناسب‌تر است. به عنوان مثال، اگر یک روغن در درجه‌های $$5W$$ و $$10W$$ عملکردی مناسب و در درجه $$0W$$ عملکردی نامناسب داشته باشد، برچسب $$5W$$ روی آن می‌خورد. در سوی مقابل و در بین روغن‌های غیر زمستان، هرچه درجه SAE بزرگتر باشد، ویسکوزیته آن روغن بالاتر است. امروزه و در اتومبیل‌های جدید، دیگر از این روغن‌ها استفاده نمی‌شود ولی در ماشین‌های چمن‌زنی، تراکتورها و ژنراتورها، اولین انتخاب هستند.

روغن موتور چند درجه‌ (چهار فصل)

دسته دوم، روغن موتورهای چند درجه‌ (Multi-grade) نام دارند که به روغن‌های چهار فصل هم معروف شده‌اند. این روغن‌ها قادر هستند دامنه وسیعی از دمای سرد لحظه استارت در زمستان تا دمای بالای عملکرد سنگین موتور در تابستان داغ را پوشش دهند. درجه SAE برای این روغن‌ها از دو درجه ویسکوزیته تشکیل شده است. به عنوان مثال، درجه $$10W-40$$ یکی از روغن‌های چهار فصل رایج است. قسمت اول، یعنی $$10W$$، نشان‌دهنده استاندارد معادل با روغن تک درجه‌ای است که ویسکوزیته روغن را در دمای سرد نشان می‌دهد. قسمت دوم نیز معادل استاندارد روغن تک درجه‌ای است که ویسکوزیته آن در دمای $$\large 100 \:^\circ C$$ اندازه‌گیری شده باشد. به عبارت دیگر، روغنی که به صورت $$10W-40$$ نام‌گذاری می‌شود، باید بتواند در آزمون‌های مربوط به دو روغن تک درجه $$10W$$ و $$40$$، نمره قبولی را کسب کند. بازه دمایی مناسب برای عملکرد هریک از انواع روغن موتور را در شکل زیر مشاهده می‌کنید.

درجه بندی SAE

انتخاب روغن موتور مناسب ضمن اینکه عمر موتور را ارتقا می‌بخشد، عملکرد آن را نیز بهتر می‌کند. در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه مهندسی مکانیک، آموزش‌های زیر نیز پیشنهاد می‌شوند:

^^

telegram
twitter

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *