Goriva, maziva i voda

Predavanja 7

Maziva

Vrste i svojstva

Maziva su• plinovite, tekuće i čvrste materije koje smanjuju trenje

između površina metala, koji se nalaze u relativnom kretanju, što (istodobno) omogućuje prijenos snage i topline te hlađenje, kako bi se metalni dijelovi zaštitili od trošenja i korozije

• iz podjele naftnih proizvoda, maziva, industrijska ulja i slični proizvodi dobili su oznaku L prema engleskoj riječi lubricant

• izbor maziva ovisi o konstrukcijskim pojedinostima, uvjetima rada, svojstvima materijala tarnih ploha i opterećenju tarnog mjesta

Osnovna fizikalno/kemijska svojstva mazivih tvari:

- dobra moć omašćivanja - kvašenja mazivih površina,

- velika adhezija i kohezija,- neagresivnost na metale i brtve,- dobra fizikalna i kemijska stabilnost,- otpornost na vodu,- sposobnost brtvljenja,- što manja ovisnost viskoziteta o temperaturi

Maziva se prema agregatnom stanju dijele na: 1. maziva ulja i 2. mazive masti.

Maziva po porijeklu mogu biti: prirodna ili umjetna, a prema sastavu: organska ili anorganska (mineralna).

Legirana maziva sadrže dodatke za poboljšanje određenih svojstava (npr za stabilnost s obzirom na starenje, za zaštitu od trošenja...).

Maziva ulja se proizvode od baznih ulja i odgovarajućih paketa aditiva

Mazive masti se proizvode od baznih ulja, odgovarajućih paketa aditiva te ugušćivača

Klasična tehnologija za proizvodnju baznih ulja obuhvaća slijedeće procese:

1. Vakuumsku destilaciju2. Deasfaltaciju3. Solventnu ekstrakciju4. Deparanifaciju5. Hidroobradu

U vakuumskoj se destilaciji postižu neka od svojstava baznih ulja (viskoznost, isparljivost, boja), bez obzira na obradu kojoj se dalje podvrgavaju na sekundarnim postrojenjima.

U postupku deasfaltacije se iz vrlo teške frakcije vakuumskog ostatka pomoću otapala ekstrahira teško ulje. Kao otapalo koristi se ukapljeni propan ili pentan. Produkt deasfaltacije je asfalt koji se dalje razređuje s lakšim komponentama u svrhu dobivanja bitumena ili loživog ulja.

Solventnom ekstrakcijom uklanjaju se aromatski spojevi jer oni negativno utječu na indeks viskoznosti, a u spojevima s kikikom, dušikom i sumporom i na oksidacijsku stabilnost. I otklanjanje aromata provodi se pomoću otapala. Daje stardandnu kvalitetu baznih ulja s indeksom viskoznosti 95-100 i točkom stinjavanja –15°C.

U postupku deparafinacije otklanjaju se parafinske komponente a time se dobivaju maziva sa nižom temperaturom stiništa. Ulja nakon deparafinacije imaju stinište od –12°C do –18°C.

U postupku hidroobrade baznih ulja uklanjaju se sumporni, kisikovi i dušični spojevi u svrhu poboljšanja oksidacijske stabilnoste baznog ulja. Nakon hidroobrade potrebna je redestilacija da se uklone lagane komponente kao što su tekući naftni plin, benzin, te plinsko ulje. Osim baznih ulja, iz spomenutih se obrada sirove nafte, dobivaju i masti.

Sva se bazna ulja mogu svrstati u četiri osnovne skupine:mineralna, hidrokrekirana, sintetička i biljna bazna ulja.

1. Mineralna bazna ulja koja se dobivaju rafiniranjem nafte• u ovu grupu pripadaju naftenska i parafinska bazna ulja• ovisno o svojim svojstvima, rabe se za proizvodnju

motornih, redukcijskih, turbinskih, kompresorskih i ostalih ulja, te za proizvodnju mazivih masti.

2. Hidrokrekirana ulja dobivaju se daljim procesom hidrokrekiranja u kojemu dolazi do transformacije nepoželjnih jedinica u poželjne ugljikovodične strukture

• najviše se rabe u proizvodnji modernih lako-protočnih motornih ulja novije generacije

3. Sintetička bazna ulja dobivaju se procesom kemijskih sinteza

• zbog svojih se prednosti (visoka oksidacijska i termička stabilnost, niska isparivost, niski sadržaj koksa, visoka točka paljenja, niska točka tečenja te dobra viskozno-temperaturna svojstva) primjenjuju u proizvodnji modernih motornih ulja, kompresorskih i hipoidnih ulja, ulja za dvotaktne motore, tekućine za kočnice i slično

4. Biljna bazna ulja (ricinusovo, repičino, pamučno, palmino i sl.) osnova su u proizvodnji maziva kad se zahtijeva čuvanje okoliša od zagađivanja

Gustoća maziva odnos mase i zapremine pri temperaturi od 15°C koja određuje koliko je u masi zapremine kg/m3.

Viskoznost je jedan od osnovnih kriterija za ocjenu kvalitete ulja. U praksi se koristi kinematička viskoznost na 40 (industrijska ulja) i 100°C (motorna ulja). Definira odnos dinamičke viskoznosti i gustoće maziva na određenoj temperaturi i uz određeni pritisak.

Indeks viskoznosti je empirijska vrijednost koja ukazuje na promjenu viskoznosti s promjenom temperature. Ako je indeks viskoznosti niži od 100, viskoznost ulja brže pada s porastom temperature i obrnuto. Monogradna motorna ulja imaju indeks viskoznosti do 100. Ako je indeks viskoznosti viši, promjene viskoznosti s temperaturom su manje. To je slučaj kod višegradnih ulja koja se stoga koriste cijele godine i kod kojih je indeks viskoznosti od 130 do 140.

Karakteristike maziva

Točka paljenja, engl. fire point (DIN ISO 2592) - je najniža temperatura kod normalnog tlaka do koje treba zagrijati neko ulje da bi se oslobođene pare trenutačno zapalile prinošenjem otvorenog plamena bez trajnog grijanja, odnosno kod koje gore najmanje 5 sekundi (plamište, engl. flash point).

Točka tečenja ili stinište (engl. pour point) je najniža temperatura pri kojoj neko ulje još pokazuje tendenciju tečenja, a izražava se u °C.

Isparivost definira količinu koja ispari u određenom vremenu na određenoj temperaturi.

Ukupni bazni broj – TBNTotal Base number definira se kao mjera alkalnosti koja potječe od svih materija u mazivu koje ima baznu reakciju. Izražava se u mg KOH/g uzorka ulja.  TBN govori o alkalnoj rezervi aditiva u ulju i sposobnosti da neutralizira kiseline koje nastaju izgaranjem goriva u cilindru motora. Za uobičajena motorna ulja TBN iznosi od 7 do 15 mg KOH/g.

Ukupni kiselinski broj - TAN Total Acid Number, predstavlja mjeru sadržaja kiselina u ulju za podmazivanje. U pravilu vrijednost ne bi smjela prelaziti 3,0 mg KOH/g ulja za neutralizaciju.

Jaki kiselinski broj - SAN Strong Acid Number predstavlja mjeru sadržaja jakih kiselina u ulju za podmazivanje nastale izgaranjem goriva, a koje su dospjele u ulje za podmazivanje.

Sadržaj vode u nerabljenim uljima ne smije biti prisutna voda• voda vrlo loše djeluje na kemijsku stabilnost ulja, dolazi do

starenja ulja, povećava se mogućnost korozije u prostorima gdje ulje treba obavljati funkciju, stvaraju se stabilne emulzije koje onda dovode u pitanje podmazivanje maziva i načelno ulje nije za daljnju upotrebu, a moguća su i oštećenja strojeva

• poseban je problem mogućnost bakteriološkog zagađenja gdje rješenje problema traži vrlo zahtjevne i skupe postupke

• sadržaj vode u ulju upućuje na tehnički kvar motora (rashladnici, sustav hlađenja, cilindar, brtve i slično) i važan je podatak kod procjene daljnjeg korištenja uljnog punjenja

• poseban je problem prisustvo slane vode (mora) kada agresivnost soli glede korozije i daljnjih mogućih šteta traži odlučan zahvat na otklanjanju uzroka prodora u ulje i saniranje posljedica

Sadržaj netopljivih čestica u ulju mnogo govori o čistoći motora, o habanju, o efikasnosti sustava za održavanje čistoće ulja i samoj čistoći ulja

• mjera je starosti ulja, jer ono u sebi nosi i kemijski degradirane čestice ulja proizašle iz starenja, koje se ionako ne mogu standardnim filterima odvojiti

• međutim, analizom se može utvrditi i da su netopljive čestice iz ulja (oksidacijski produkti) posljedica naglog degradiranja ulja radi pregrijavanja motora iz bilo kojeg razloga (nepostojanje hlađenja, manjakulja, ugušćenje radi prisustva sredstva za hlađenje – antifriz, itd.)

• sadržaj netopljivog direktno utječe na porast viskoznosti

Sadržaj pepela• na temelju količine pepela procjenjuje se sadržaj

anorganskih komponenata i spojeva metala. • služi za određivanje onečišćenja, ali i sadržaja aditivnog

sklopa u ulju• danas se češće prati sadržaj pojedinih metala, jer se na taj

način posebno kod rabljenih ulja utvrđuju podaci o nivou aditiviranja i habanjukliznih površina, te prodoru produkata izgaranja kod motora (kvalitet goriva, stanje okoline) i na taj način ispravnost rada motora

Mazivo ulje

Mazivo ulje u motoru je termički i mehanički visoko opterećeno, te ima ove zadaće:

- smanjuje trenje i trošenje dijelova - hladi - brtvi i ublažava udarna opterećenja - štiti od korozije - čisti motor

Podjela i vrste mineralnih mazivih ulja

MINERALNO MAZIVO ULJE = MINERALNO BAZNO ULJE + ADITIVI

Mineralna bazna ulja - dobivaju se selektivnom rafinacijom teških derivata nafte. Pretežno su parafinske baze, a mogu sadržavati naftene i aromate.

Aditivi - dodaci baznom ulju za poboljšanje fizikalnih i kemijskih svojstava mineralnih mazivih ulja, unose nova pozitivna svojstva (npr. antikorozijska svojstva) ili poboljšavaju već postojeće karakteristike mazivih ulja (visoko-temperaturne karakteristike, sklonost kristalizaciji parafina, nisko-temperaturna svojstva, itd.).

Aditivi su neizostavne komponente modernih mazivih ulja!

Vrste aditiva

• INHIBITORI korozije, oksidacije i starenja usporavaju i umanjuju procese oksidacije ugljikovodika u mazivim uljima;

• Sredstvo za POBOLJŠANJE INDEKSA VISKOZNOSTI (olefinski polimerizanti) smanjuje promjene viskoznosti u odnosu na promjenu temperature; Multigradacijska ulja - smanjena ovisnost viskoznosti o temperaturi.

• Sredstvo za POBOLJŠANJE TOČKE TEČENJA;

• Sredstva PROTIV PJENJENJA;

• Sredstva PROTIV STVARANJA EMULZIJA S VODOM - DEEMULGATORI

• DISPERZANTI/DETERGENTI (HD ulja) dispergiraju oksidacijske produkte (čađa, koks, smola) i drže ih suspendiranima, te tako sprječavaju da se istalože na nepoželjnim mjestima u motoru (klipni prsteni, stjenke cilindra itd.);

• EP aditivi (engl. Extreme Pressure) povećavaju općenito otpornost maziva (mogu raditi u težim radnim uvjetima – visokom tlaku); To su spojevi na bazi P i S, ili pak grafit, molikot (MoS2), polimerni spojevi;

• FM aditivi (engl. FRICTION MODIFIER), su tzv. polarizirani dodaci koji se upijaju u površinu metala te smanjuju trenje u području polu suhog trenja;

Vrste mineralnih mazivih ulja prema namjeni

Mazive masti

Mazive masti moraju imati visoku kvalitetu i stabilnost zbog dugih intervala zamjene i dodavanja

• sastoje se od mineralnog ulja odgovarajuće kvalitete i od sredstva za ugušćavanje

Najčešća sredstva za ugušćavanje su: o sapuni, o silikagel, o posebno rafinirane vrste gline,...

• ako je u mazivoj masti ugušćivač sapun, onda je njegov udio u masti u granicama od 5 do 15% - udio sapuna utječe na konzistentnost masti

Radna temperatura i viskozitet ulja od kojih su načinjene važne su za pravilnu primjenu mazivih masti

Mazive masti primjenjuju se u slijedećim slučajevima:

1. kad nije moguće cirkularno (protočno) podmazivanje;2. kada treba spriječiti prodor prašine i vode u sustav

podmazivanja (automobil);3. kod velikih specifičnih opterećenja i malih brojeva

okretaja (strojevi sa čestim zastojima);4. kod povišene temperature, tj. iznad 90°C (363 K);5. kad postoji mogućnost istjecanja ulja iz sustava.

Općenito vrijedi:

• za male brzine koriste se masti dobivene od ulja visokog viskoziteta (30 - 35cSt/100°C);

• mekane masti dobivene su od nisko-viskoznog ulja koriste se za ležajeve velikih brzina (NLGI 1ili 2, bazno ulje 55 - 105 cSt/40°C);

• za lagane i srednje terete koriste se masti dobivene od ulja niskog i srednjeg viskoziteta;

• za velike terete koriste se masti dobivene od ulja visokog viskoziteta;

• za velike terete i udarna opterećenja → EP masti;• za vlažne uvjete → masti na bazi kalcijevog sapuna;• za povećanje antikorozivnog djelovanja u prisutnosti vode →

masti sa EP aditivima na bazi olova (Pb).

Klasifikacija motornih ulja prema viskoznosti

• najpoznatija podjela ulja prema područjima viskoznosti je prema standardima američke udruge SAE (Society of Automative Engineers)

Prema SAE motorna maziva ulja dijele se u dvije osnovne grupe:

o monogradna (sezonska, moraju se mijenjati prema godišnjim dobima)

o multigradna (koriste se tijekom cijele godine)

• kod automobilskih motora se danas većinom primjenjuju multigradacijska ulja

Postoje dvije kategorije viskoznosti motornih ulja:

1. gradacije označene slovom W• maksimalna dinamička viskoznost na niskim T (ASTM D

2602 procedura)• najveća granična T pumpabilnosti (ASTM D 3829)• minimalna kinematička viskoznost u mm2 /s na 100°C (ASTM

D 445)

2. gradacije bez slova W• definirane su određivanjem kinematičkog viskoziteta prema

(ASTM D 445)

Primjer SAE 10W-50

• oznaka W (Winter - zima) opisuje tečenje ulja kod niskih temperatura

• oznaka viskoznosti (10), ispred slova W, određuje se prema najvećoj viskoznosti kod niskih temperatura odnosno prema gornjoj granici temperature pumpanja

• druga brojka (50) predstavlja viskozitet kod 100°C

Kvaliteta motornih ulja

Postoji čitav niz metoda za određivanje kvalitete motornih ulja:

1. Norma CCMC (Commitee of Common Market Automobile Constructors) prilagođena je zahtjevima europskih automobilskih motora s cilindrima malog obujma i visoke specifične snage.

2. Klasifikacije API (American Petroleum Institute)

3. ISO klasifikacija industrijskih ulja

4. Specifikacije MIL

1. CCMC specifikacije

G (Gasoline) ulja za Otto motore: • G4: ovi zahtjevi su stroži nego npr. SG prema API; posebni

zahtjevi s obzirom na zaštitu od starenja ulja, na gubitak uslijed isparavanja, na stvaranje ostataka kod visokih temperatura, na trošenje i na zaštitu od stvaranja taloga

• G5: motorna ulja smanjenog trenja (njem. Leichtlauf-Motorenöle), viskoznosti 5W-X ili 10W-X, kod kojih su, u odnosu na G4, povećani zahtjevi u pogledu postojanosti prema starenju ulja, postojanosti prema cijepanju molekula i zaštiti od stvaranja taloga

D (Diesel) ulja za Diesel motore: • D4: ovi zahtjevi su stroži nego API-zahtjevi CD i CE. D4 važi

za motorna ulja za brodske Dieselove motore pri teškim uvjetima rada, te za Dieselove turbomotore pri normalnim uvjetima rada

• D5: propisuje uvjete za SHPD-ulja (Super-High-Performance-Diesel) za Dieselove motore za pogon gospodarstvenih vozila. Odgovarajući API zahtjevi ne postoje. Ovdje su postavljeni visoki zahtjevi na stvaranje poliranih kliznih ploha, na čistoću klipa, na trošenje cilindra i brijega bregastoga vratila.

PD (Passenger Diesel) ulja za Diesel motore putničkih vozila• PD2: nova specifikacija za malo volumenske Dieselove

motore sa slobodnim usisom i u turbo izvedbi. Po razini zahtjeva ova specifikacija je nešto stroža nego CD. Uvjeti ispitivanja su slični kako kod D4.

2. Klasifikacija motornih ulja prema radnim karakteristikama - API

• razredi S (Service): ulja za Otto motore

• razredi C (Commercial): ulja za Diesel motore

3. ISO klasifikacija industrijskih ulja

• ova klasifikacija je uspostavljena od međunarodne organizacije za standardizaciju ISO (International Standard Organization)

• koriste se jedinice cSt (CENTISTOKES), a prikazane vrijednosti viskoziteta se odnose na 40°C

• industrijska ulja su podijeljena u 18 gradacija - ISO stupnjeva viskoziteta (ISO Viscosity Grade) i to od 1,98 cSt do 1650 cSt, od kojih je svaka definirana posebnim brojem

• stupanj viskoziteta približno odgovara srednjoj vrijednosti viskoziteta dotične gradacije

SAE Viscosity Grades for Industrial Oils, 1991.

4. MIL specifikacije

L-46152: • B/C: ulja za Ottove i nenabijene Dieselove motore; odgovara

specifikaciji API SF/CC• D: kao L-46152 B/C ali s pooštrenim ispitivanjima s obzirom

na stvaranje mulja i oksidacijsku stabilnost; odgovara zahtjevima API SG

L-2104:• C: ulja za Ottove motore, za Dieselove motore sa slobodnim

usisom i turbomotore. • D: kao L-2104 C ali s pooštrenim američkim ispitivanjima• E: kao L-2104 D ali s pooštrenim ispitivanjima u Ottovim

motorima

Klasifikacija masti prema sapunima

a) Ca - mast - primjena do tmax = 60°C, kontakt s vodom dozvoljen;

b) Na - mast - primjena do tmax = 90°C, visoko stabilna mast, kontakt s vodom nedozvoljen, primjena: za ručni alat, bušilice, brusilice;

c) Li - mast - primjena do tmax = 90°C, široka primjena za automobile, valjkasti i klizni ležajevi;

d) Zn - mast - primjena do tmax = 110 - 120°C;

e) Al - mast - primjena do tmax = 100°C, Primjena: donji postroj motornih vozila, upravljački sustav.

NLGI klasifikacija konzistentnih masti

• najčešće korištena klasifikacija konzistentnosti mazivih masti, ustanovljena od Nacionalnog instituta za mazive masti iz SAD (National Lubricating Grease Institute)

• ova klasifikacija se temelji samo tvrdoći ili mekoći, odnosno konzistentnosti masti

• nijedno drugo svojstvo nije uzeto u obzir• klasifikacija definira područja konzistentnosti masti s

oznakama od 000 do 6• konzistentnost je definirana DESETINKOM MILIMETRA

penetracije standardnog konusa kod 250°C

NLGI Grease Classification, London 1991.

Pitanja za ponavljanje

• Što su maziva? Koja su njihova osnovna svojstva? Kako se dijele? Kako se dobivaju? Kako se dijele bazna ulja?

• Što su točka paljenja, plamište i točka tečenja? • Što je TBN?• Koje su zadaće mazivog ulja u motoru?• Što su aditivi mazivima? Navedite neke aditive. • Što su EP aditivi?• Što su mazive masti i kada se primjenjuju?• Navedite klasifikacije motornih ulja: SAE gradacija prema

viskoznosti? • Što znači oznaka SAE 10W-50? • API klasifikacija prema radnim karakteristikama? • ISO klasifikacija prema viskoznosti?