Como determinar a qualidade do óleo do motor

Enquanto a maioria dos óleos de motor são feitos com padrões aceitáveis, suas qualidades gerais e específicas podem variar amplamente. Óleos de motores de má qualidade são muitas vezes colocados no mercado devido à ignorância ou ganância. Infelizmente, para o proprietário de automóvel desinformado, vai olhar um óleo de motor de alta qualidade e um de má qualidade e não ver diferença.

Testes de motor e bancada

O motor tem sido sempre a plataforma final para identificar a qualidade requerida de seu óleo. Mesmo enquanto o projeto do motor mudou para encontrar o desempenho, a eficiência de combustível e os padrões ambientais, o motor continua a ser o árbitro final da qualidade do óleo. No entanto, usar o motor para medir a qualidade do óleo em testes de dinamômetro pode ser uma proposta cara. Mesmo assim, para ajudar a controlar os custos da garantia, o desenvolvimento e uso de testes de motores é inevitável para os fabricantes de motores ao determinar a qualidade do óleo necessária para um determinado projeto ou componente.

Embora necessário, a geração de testes repetitivos de dinamômetro para um motor pode ser um desafio. À medida que o projeto do motor tem aumentado progressivamente a potência de motores menores, a dificuldade de estabelecer testes repetitivos de dinamômetro cresceu ainda mais rapidamente. Felizmente, uma vez que o nível de qualidade foi determinado no dinamômetro ou no campo, há uma abordagem muito menos dispendiosa que pode ser aplicada para avaliar mais precisamente a qualidade do óleo. Isso envolve o uso de testes de banco de laboratório projetados para se correlacionar de perto com testes de dinamômetro do motor ou experiência de campo. Estes testes de banco têm a capacidade de fornecer uma medida relativamente barata da qualidade do óleo. No entanto, o valor e a importância deste tipo de ensaio dependem de uma série de fatores, incluindo a identificação das necessidades específicas do motor, informação clara e consistente a partir do motor, quer em testes de banco ou experiência de campo, e uma compreensão da relação entre as necessidades do motor e as propriedades físicas e / ou químicas do óleo.

Propriedades do óleo do motor

Para servir o motor, o óleo deve possuir certas propriedades físicas e químicas. Durante o serviço do óleo, o motor gera uma série de tensões de operação que afetam negativamente a capacidade de longo prazo do óleo para funcionar em um nível consistentemente alto. As condições de serviço também podem variar muito dependendo do ambiente e da forma como o veículo é utilizado. Consequentemente, a escolha de um óleo de motor para satisfazer necessidades e condições de serviço específicas requer o conhecimento de várias propriedades importantes do óleo, incluindo a viscosidade.Viscosidade

A viscosidade pode ser definida como a resistência de um fluido ao fluxo. Porque as moléculas de um fluido são um tanto atraídas umas às outras, é necessária energia para separá-las e criar fluxo. Em geral, moléculas maiores têm mais atração entre elas e uma viscosidade mais alta. A energia necessária para superar essa atração molécula-molécula e produzir fluxo de fluido pode ser considerada uma forma de atrito. Portanto, a viscosidade pode ser definida como uma forma de atrito molecular. De todas as qualidades físicas e químicas do óleo do motor, sua viscosidade e comportamento viscométrico durante o uso são muitas vezes considerados os mais importantes.

Viscosidade e prevenção do desgaste

Este mesmo atrito molecular evita que o óleo escape muito rapidamente quando duas superfícies do motor em movimento relativo são colocadas juntas sob pressão. Esta incapacidade do óleo intermediário para escapar rapidamente e seu nível de incompressibilidade mantêm as duas superfícies afastadas e impedem o desgaste, um processo que é denominado lubrificação hidrodinâmica. Quanto maior a viscosidade, maior a atração das moléculas de óleo e maior a proteção contra desgaste.

Classificação de viscosidade

A viscosidade de um lubrificante sempre foi associada com a proteção contra desgaste. No início de sua história, a SAE reconheceu a viscosidade como importante para a função do motor e instituiu o sistema de classificação J300, que estabelece os níveis de viscosidade para os motores por uma série de graus. Estes graus são definidos por níveis de viscosidade em uma ou duas zonas de temperatura. Hoje, os graus são definidos para as temperaturas de funcionamento do motor e para as temperaturas de inverno em que o óleo afeta o arranque eo bombeamento.

Viscosidade nas condições operacionais

Nos primeiros anos dos motores automotivos, os óleos eram simplesmente formulados e obedeciam à equação de Newton quanto à viscosidade – quanto mais força fosse usada para fazer o fluxo do fluido (tensão de cisalhamento), mais rápido fluirá (taxa de cisalhamento). Essencialmente, a razão de tensão de cisalhamento para a taxa de cisalhamento – a viscosidade – permaneceu constante a todas as taxas de cisalhamento. Os óleos de motor daquela época eram todos essencialmente de grau único e não possuíam classificação SAE “W”.

Esta relação viscosimétrica mudou na década de 1940 quando se descobriu que a adição de pequenas quantidades de polímeros de alto peso molecular parecia dar ao óleo as características de fluxo desejadas tanto para o funcionamento a baixa temperatura como para o funcionamento do motor a alta temperatura. Consequentemente, estes óleos contendo polímeros foram listados pelo sistema de classificação de viscosidade SAE como óleos de motores multigrade, uma vez que estes satisfizeram os requisitos de ambas as zonas de temperatura de viscosidade.

Desde esse tempo, óleos multigrada (por exemplo, SAE 10W-40, 5W-30, 0W-20, etc.) tornaram-se muito populares. No entanto, eles não eram mais newtonianos em características de fluxo, uma vez que a viscosidade foi encontrada para diminuir com o aumento da taxa de cisalhamento. Isto foi considerado importante na lubrificação nos motores que operavam com taxas de cisalhamento elevadas (como medido em milhões de segundos recíprocos), em contraste com as várias centenas de segundos recíprocos dos viscosímetros de baixo corte usados ​​então para caracterizar óleos de motor.

Viscometria de alta taxa de cisalhamento

Consequentemente, surgiu a necessidade de desenvolver um viscosímetro de elevada taxa de cisalhamento para refletir a viscosidade nos motores sob temperaturas de funcionamento. No início dos anos 1980, desenvolveu-se um instrumento e uma técnica que poderiam atingir vários milhões de segundos recíprocos a 150 graus C, bem como exercer altas taxas de cisalhamento em outras temperaturas, tanto em óleos de motor novos como usados. O instrumento foi chamado de viscosimetro cônico simulador de rolamento. A técnica foi aceita pela ASTM como método de ensaio D4683 para utilização a 150 graus C (e mais recentemente como D6616 para utilização a 100 graus C). Este teste de bancada crítico da qualidade do óleo do motor tornou-se conhecido como alta temperatura, viscosidade de alta taxa de cisalhamento (HTHS). Foram então impostos limites mínimos para vários graus no sistema de classificação de viscosidade SAE.

Curiosamente, foi mostrado mais tarde que este instrumento era único e basicamente absoluto na provisão de medidas de torque de cisalhamento ou tensão de cisalhamento e taxa de cisalhamento durante a operação. É o único viscosímetro conhecido capaz de fazer isso.

Viscosidade e gelificação do óleo em baixas temperaturas

Óleos de motor multigrade foram originalmente introduzidos para reduzir a viscosidade do óleo a baixas temperaturas para auxiliar na partida do motor. Este benefício importante foi imediatamente aparente, e os óleos multigrade desde então se tornaram a forma mais popular de lubrificante do motor em todo o mundo.

Com a facilidade de arranque do motor a baixas temperaturas, outro problema tornou-se evidente – o bombeamento do óleo. Esta era uma edição consideravelmente mais séria, porque a falta do bombeamento do óleo poderia destruir o motor. Em testes de dinamômetro de câmara fria, determinou-se que havia duas formas de problema de bombeamento. O primeiro foi simplesmente relacionado com a alta viscosidade e chamado fluxo de comportamento limitado. A segunda foi menos óbvia e envolveu a gelificação do óleo sob um ciclo de resfriamento longo e profundo. Isto foi rotulado como “ligação de ar”, uma vez que a bomba de óleo tornou-se ligada ao ar como resultado de uma coluna de óleo ser puxada a partir do cárter e o óleo não preencher este vazio.

Este conhecimento e teste de bancada, que inicialmente parecia prever ambas as formas de fracasso, não foram suficientes. No inverno de 1979-80 em Sioux Falls, Dakota do Sul, um ciclo de resfriamento mostrou que a ligação ao ar poderia ocorrer em condições de arrefecimento relativamente moderadas. Durante um período de 24 horas, vários motores contendo óleo foram arruinados. O ciclo de arrefecimento tinha produzido uma condição em que o óleo se tornou ligado ao ar. O incidente dispendioso revelou a necessidade de um teste de bancada mais sensível que prever com precisão a tendência de falhas de bombeamento de ligação ao ar.Índice de gelificação

O óleo do motor de ligação do ar que causou as falhas de Sioux Falls forneceu um estudo de caso sólido. Um novo instrumento e técnica de teste de bancada foi desenvolvido para indicar qualquer tendência do óleo de teste a gelificar. A técnica, que envolveu a operação contínua de baixa velocidade de um rotor cilíndrico em um estator frouxamente circundante, foi imediatamente incorporada nas especificações de óleo do motor e mais tarde tornou-se ASTM D5133. Isto não só mostrou a tendência do óleo para se tornar limitado ao fluxo, mas também especificou o grau de gelificação que pode ocorrer ao longo da faixa de temperatura medida (normalmente menos 5 a menos 40 graus C). O parâmetro foi denominado índice de gelificação. Hoje, as especificações de óleo do motor para óleos multigrades requerem um índice de gelificação máximo de 12.

Viscosidade e absorção de energia

Tão benéfica quanto a viscosidade é para o motor na prevenção de desgaste através da lubrificação hidrodinâmica, também tem alguns aspectos negativos que podem afetar a eficiência operacional do motor. O atrito molecular do óleo, que separa duas superfícies em movimento relativo, requer energia para superá-lo. Esta é uma quantidade significativa de energia do motor em troca da proteção fornecida do desgaste. Portanto, a formulação cuidadosa da viscosidade do óleo é fundamental para os proprietários de veículos e para os governos que exigem limites de economia de combustível. A redução da viscosidade do óleo pode ser um passo importante na redução do atrito viscoso para melhorar a eficiência do combustível. Curiosamente, ao longo dos últimos anos, tem havido um aumento no número de automóveis que operam com óleos de motor que têm níveis de viscosidade mais baixos, melhorando significativamente a eficiência do seu motor.

Uma década atrás, os graus de viscosidade SAE mais baixos eram os óleos SAE 0W-20 e 5W-20, com SAE 20 com a viscosidade de cisalhamento de 2,6 centipoise (cP) para simular o funcionamento do motor a 150 graus C.

As montadoras japonesas têm chamado recentemente para graus ainda mais baixos de viscosidade. Como consequência, o SAE introduziu três novos graus operacionais identificados como SAE 16 (2,3 cP mínimo a 150 graus C), SAE 12 (2,0 cP mínimo a 150 graus C) e SAE 8 (1,7 cP mínimo a 150 graus C). Nenhum destes óleos de grau inferior ainda não chegou ao mercado para análise. Uma vez que a viscosidade está diretamente relacionada com a quantidade de energia gasta pelo motor para proteção contra o desgaste através da lubrificação hidrodinâmica, espera-se que tal diminuição na viscosidade tenha benefícios importantes na eficiência de combustível, mas apenas em motores concebidos para a sua utilização.

Índice de eficiência de combustível dependente da viscosidade

Dada a influência que a viscosidade do óleo tem no motor, uma técnica foi desenvolvida para calcular os efeitos dos óleos de motor na eficiência de combustível. Para ser significativo, os valores de viscosidade tinham de ser obtidos com as taxas de cisalhamento elevadas associadas à operação em seções específicas do motor.

Trabalhos anteriores do dinamômetro identificaram a porcentagem de atrito e temperatura de operação dos cinco principais locais de lubrificação em um motor movido a gás alternativo responsável por quase toda a perda de eficiência. Esta informação foi utilizada para desenvolver o parâmetro de índice de eficiência de combustível viscoso (V-FEI). Com este valor, que varia de 0 a 100, quanto maior for a V-FEI de um determinado óleo de motor, menos energia será perdida em relação à viscosidade e, consequentemente, mais eficiente será o motor. Embora diferentes projetos de motores possam ter diferentes níveis de atrito nas áreas de lubrificação essenciais, o uso desses dados de atrito fornece um valor comparativo para óleos de motor.

Como era de se esperar, determinou-se que os óleos multigrades SAE 0W-20 com média anual contribuíram com mais eficiência o combustível para o motor do que os óleos SAE 5W-30 multigrades médios, devido às diferenças de viscosidade. Com exceção de 2012, Em V-FEI é equivalente a quase 7 a 8 por cento em eficiência de combustível dependente da viscosidade. A diminuição mostrada na eficiência média de combustível dos óleos de motor SAE 0W-20 coletados em 2012 pode indicar o desenvolvimento de formulações que atendam às preocupações das montadoras de que os benefícios da lubrificação hidrodinâmica não serão perdidos em esforços para melhorar a eficiência de combustível.

Volatilidade do óleo do motor

Outro aspecto a considerar quando se reduz a viscosidade em formulações de óleo de motor é que tal redução é mais frequentemente obtida utilizando óleos de base com maior volatilidade. O óleo volatilizado reduz a quantidade de lubrificante que serve o motor e pode transportar componentes de contaminação do catalisador de escape, afetando negativamente a capacidade de redução da poluição atmosférica do catalisador. O óleo remanescente após a perda dos componentes mais voláteis também será mais viscoso e absorvedor de energia.Emissões de fósforo e volatilidade

Os compostos de fósforo solúveis tais como dialquilditiofosfato de zinco (ZDDP) têm sido utilizados na formulação de óleos de motor durante muitos anos. Estes compostos anti-desgaste e antioxidação têm proporcionado um apoio considerável para a concepção de motores modernos.

Em meados dos anos 1900, o motor alternativo foi identificado como um dos principais contribuintes da poluição do ar. Os hidrocarbonetos não queimados ou parcialmente queimados dos gases de escape do motor foram modificados pela luz solar em hidrocarbonetos gasosos nocivos, que produziram poluentes em algumas grandes cidades. Como consequência, os conversores catalíticos de escape foram desenvolvidos na década de 1970 para tratar o gás de escape e convertê-lo em dióxido de carbono e água. Infelizmente, nos anos seguintes ao desenvolvimento do conversor catalítico, descobriu-se que certos elementos na gasolina ou óleo de motor, incluindo fósforo e enxofre, iriam desativar o catalisador por revestimento. Isto conduziu finalmente às limitações na quantidade destes produtos químicos no óleo e no combustível de motor.

Índice de emissão de fósforo

O teste de volatilidade Selby-Noack foi desenvolvido no início da década de 1990 como uma abordagem melhor e mais segura para determinar a volatilidade do óleo do motor. Ele coletou a componente volátil do teste de volatilidade para análise posterior, o que foi útil na detecção de fósforo e enxofre. Nas primeiras análises de voláteis coletados no teste de bancada, ficou evidente que os aditivos de fósforo nos óleos de motor também estavam produzindo fósforo através de decomposição aditiva. Com base nessas descobertas, desenvolveu-se um parâmetro relacionado à quantidade de fósforo liberado durante o teste denominado índice de emissão de fósforo (PEI).

Foram feitos progressos consideráveis ​​na redução da decomposição e / ou volatilidade do fósforo destas duas classificações multigrade de SAE. A redução do PEI para 6 a 10 miligramas por litro de óleo do motor é uma mudança significativa na proteção do catalisador contra os efeitos do fósforo.

Com a tendência para motores menores, eficientes em combustível e turbo compressores que geram temperaturas mais altas durante a operação, um teste de bancada que pode revelar as tendências de uma emissão de fósforo de uma formulação de óleo seria útil na concepção de lubrificantes mais adequados ao motor e ao ambiente.

Teor de fósforo e volatilidade

Quanta influência do fósforo em um óleo de motor tem sobre a quantidade de fósforo volatilizado durante a operação do motor é uma questão importante que afeta a escolha de aditivos na formulação de óleo. Dados revelam que a volatilidade do fósforo gerada pelo teste Selby-Noack é praticamente não relaciona à quantidade de fósforo presente no óleo como um aditivo. A falta de correlação entre o fósforo no óleo de motor e a quantidade de fósforo volatilizado é evidente nos valores de baixo coeficiente de correlação (R²). Este parâmetro seria próximo de um valor de um se a concentração de fósforo afetasse sua volatilidade.

Sem dúvida, a qualidade dos óleos de motor terá um papel muito maior nos motores turboalimentados menores e mais potentes que estão entrando no mercado automotivo. No entanto, é essencialmente impossível estabelecer a qualidade de um óleo de motor pela sua aparência. Esta determinação só pode ser feita utilizando o óleo ou testando-o previamente. Obviamente, este último é a opção muito preferida para os proprietários de automóveis, que têm um investimento significativo e necessidade de um motor de bom funcionamento e durável.