Động cơ ôtô là loại động cơ đốt trong, tức là đốt cháy hỗn hợp khí và nhiên liệu trong lòng xi-lanh, chuyển nhiệt năng thành cơ năng. Quá trình này là tổ hợp các hoạt động liên tục của nhiều chi tiết như piston, xi-lanh, xu-páp, trục cảm, trục khuỷu.... Để các chi tiết làm việc trơn tru cần có chất bôi trơn, đó chính là dầu nhớt.
Dầu nhớt đặc quánh, đen bóng do muội than. Ảnh: CCCauto.
Tác dụng của dầu nhớt không chỉ bôi trơn mà còn che khít các kẽ hở tăng hiệu suất, làm mát các chi tiết, chống gỉ và làm sạch muội than sinh ra trong quá trình đốt cháy. Chính những muội này cộng với bụi kim loại li ti tạo ra trong quá trình ma sát giữa các chi tiết, sẽ khiến dầu đặc dần.
Để đảm bảo hiệu quả, sau một thời gian dài hoạt động, tùy theo loại xe và hãng sẽ có khuyến cáo thay dầu định kỳ, ví dụ mỗi 5.000 km. Nếu tài xế không để ý thay dầu, độ đặc càng ngày càng tăng lên, đến một thời điểm do đặc nặng quá, dầu nhớt lại trở thành lực cản khiến các chi tiết trong động cơ không thể chuyển động, gây ra tình trạng hay gọi là bó máy.
Các bác tài, nhất là phụ nữ nên nhớ hoặc sử dụng các hình thức nhắc nhở qua điện thoại, qua ứng dụng để không quên thời điểm bảo dưỡng định kỳ, thay dầu máy. Xe hơi nào cũng thế, của bền tại người, biết cách sử dụng thì nó sẽ phát huy tối đa tác dụng, ngược lại nếu không sẽ trở thành con bạc khát nước, đốt tiền của chủ nhân.
Độc giả Hạnh Nhân
Nguyên nhân cơ bản khiến dầu nhớt bị mất các tính chất nhiệt nhớt!
Các yêu cầu cơ bản đặc ra với tính chất sử dụng của dầu là: dầu khoáng cần phải có tính chất bôi trơn tốt, đảm bảo được bôi trơn lỏng hoàn toàn và độ bền đáng tin cậy của màng dầu trong mọi ổ ma sát của các cơ cấu máy trong dải vận tốc, nhiệt độ, cũng như tải trọng lớn. Sự bảo toàn màng dầu trên bề mặt là cần thiết để khắc phục tình trạng ma sát bán khô gây mài mòn và phá hủy chi tiết máy. Dầu nhờn cũng phải bền về mặt hóa học để chống lại sự oxi hóa bởi oxi trong không khí, trong các điều kiện nhiệt độ cao cũng như không thay đổi tính chất của mình trong quá trình vận chuyển và bảo quản.
Một loại dầu nhờn không ổn định sẽ chịu một sự oxi hóa rất nhanh và tạo ra các cặn rắn. Những cặn này là nguyên nhân gây ra sự bẩn máy móc, làm cháy cũng như làm gãy các séc-măng trong động cơ... Trong quá trình oxi hóa, dầu sẽ xuất hiện các hợp chất axit có tính ăn mòn, chúng sẽ rút ngắn thời gian làm việc của dầu cũng như thời gian làm việc của thiết bị. Dầu không chỉ cần bền về mặt oxi hóa bởi oxi không khí mà còn phải đảm bảo là không bị biến đổi trong quá trình hoạt động dưới áp suất, độ ẩm, nhiệt độ cao. Vì vậy, độ bền hóa học của dầu được xác định bởi các chỉ tiêu như tính bền oxi hóa, độ cốc hóa, chỉ số axit, chỉ số xà phòng...
Trong quá trình làm việc của các máy móc, thiết bị thì dầu nhờn sẽ tiếp xúc với các kim loại, chịu tác động của không khí, nhiệt độ xung quanh, áp suất, các trường điện từ, ánh sáng tự nhiên và một loạt các yếu tố khác. Dưới ảnh hưởng của các yếu tố này, cùng với thời gian sẽ xảy ra chất lượng của dầu. Đó là sự phân hủy, sự oxi hóa, polyme hóa, ngưng tụ các hydrocacbon, sự cháy không hoàn toàn, sự pha loãng của dầu nhiên liệu, sự nhiễm bẩn từ các chất bên ngoài và sự lẫn nước. Do vậy mà quá trình này trong dầu nhờn có tích lũy các chất nhựa, asphanten, cốc, bồ hóng, các muối khác nhau, các axit cũng như các mạ kim loại, các hạt khoáng, các chất có dạng sợi, nước v.v... Tất cả các chất này làm thay đổi tính chất lý hóa của dầu và được gọi chung là quá trình lão hóa của dầu nhờn.
1. Sự oxi hóa
Khi làm việc trong các động cơ, máy móc và các thiết bị khác, khi bảo quản trong kho cũng như khi vận chuyển dầu đều tiếp xúc với oxi của không khí. Sự tiếp xúc này là nguyên nhân chủ yếu gây nên sự biến đổi về mặt hóa học của dầu, đó gọi là quá trình oxi hóa.
Trong quá trình oxi hóa, các tính chất lý hóa học của dầu sẽ bị thay đổi. Theo qui luật, sự thay đổi này dẫn đến sự giảm sút các chỉ tiêu chất lượng của dầu nhờn. Nếu sự oxi hóa xảy ra ở mức độ đủ sâu thì có thể phải loại bỏ dầu nhờn khỏi hệ thống bôi trơn của máy móc và thay dầu nhờn mới.
Khả năng chống lại quá trình oxi hóa như tốc độ oxi hóa, mức độ oxi hóa cũng như đặc trưng của các sản phẩm tạo thành, phụ thuộc vào bản chất của dầu, nhiệt độ, áp suất không khí, vào bề mặt tiếp xúc của dầu với không khí, vào sự có mặt của các tạp chất có khả năng xúc tác hoặc ức chế đối với quá trình oxi hóa và vào thời gian làm việc của dầu nhờn.
Người ta đã xác định được rằng, trong tất cả các hydrocacbon có mặt trong dầu nhờn thì họ hydrocacbon có độ bền oxi hóa nhất là các chất hydrocacbon thơm, sau đó đến hydrocacbon naphten và các hydrocacbon dễ bị oxi hóa nhất ở nhiệt độ cao là các hydrocacbon parafin. Trong quá trình làm sạch dầu nhờn, chỉ còn lại một lượng rất nhỏ các hợp chất nhựa và chúng lại là những chất chống oxi hóa tự nhiên trong dầu.
Quá trình oxi hóa các chất nhựa trong dầu cho ta các sản phẩm không tan mà tụ lại ở dạng asphanten và cacben. Ở nhiệt độ 20 - 30oC thì quá trình oxi hóa trong dầu xảy ra rất chậm. Cùng với sự tăng nhiệt độ, tốc độ oxi hóa cũng sẽ tăng lên đáng kể. Ở nhiệt độ 270 - 300oC và cao hơn thì đồng thời với sự bùng nổ của oxi hóa còn có sự phân hủy nhiệt của các hydrocacbon tạo thành CO2, nước và các hợp chất chứa cacbon khác. Sự tăng áp suất của oxi cũng thúc đẩy quá trình oxi hóa. Sự oxi hóa dầu nhờn trong lớp màng mỏng ở môi trưòng khí trơ như trong nitơ xảy ra chậm hơn so với trong môi trường oxi. Diện tích tiếp xúc của dầu với không khí càng lớn thì càng tạo điều kiện cho oxi khuyết tán vào trong dầu và làm tăng khả năng phản ứng polyme hóa dưới tác động của oxi tạo ra các sản phẩm nhựa và asphanten.
Bằng rất nhiều sự quan sát và nghiên cứu người ta đã xác định được rằng một số kim loại và muối của nó có tác dụng làm xúc tác đối với quá trình oxi hóa dầu. Các kim loại có vai trò xúc tác mạnh nhất là Fe, Cu, Ni, Pb, Mn và Zn. Các kim loại như Al, Sn không thúc đẩy quá trình oxi hóa còn muối của nó thì laị có tác động kìm chế quá trình này. Các muối kim loại tạo thành trong quá trình làm việc của dầu nhờn như muối của axit naphtenic có tác động thúc đẩy sự oxi hóa dầu. Nước cũng có tác dụng thúc đẩy sự oxi hóa vì chúng có khả năng làm tăng hoạt tính cho các xúc tác nói trên.
Trong giai đoạn đầu tiên thì quá trình oxi hóa xảy ra chậm, sau đó cường độ tăng dần đến một điểm cực đại rồi chậm dần đến lúc không đổi [bằng 0]. Trong quá trình làm việc của dầu nhờn trong động cơ, đồng thời với quá trình phân hủy và tạo ra các sản phẩm oxi hóa đầu tiên mhư các axit hữu cơ, phenol, rượu, andehyt, các chất nhựa... còn nảy sinh các quá trình bậc hai mà người ta gọi là quá trình thứ cấp chẳng hạn như là quá trình polime hóa và ngưng tụ. Sản phẩm của quá trình oxi hóa dầu nhờn sẽ có từ 8 -18% các hợp chất có tính axit, 39 - 57% các chất nhựa, 4 -11% các hợp chất khác. Quá trình oxi hóa và polime hóa có sự oxi hóa sẽ diễn ra theo hai hướng như sau:
+ Từ các hydrocacbon tạo thành các hydroperoxit sau đó đến các axit chứa oxi, các extronit, rồi tạo ra các axit asphantogen. Hướng này tạo thành các sản phẩm có tính axit.
+ Từ hydrocacbon tạo thành hydroperoxit rồi tạo thành các chất nhựa, các asphanten, cacben, và cuối cùng là các hợp chất cacboit. Hướng này tạo thành các sản phẩm có tính trung tính.
Sản phẩm của quá trình oxi hóa sâu và ngưng tụ là các axit chứa oxy, axit asphantogen, các asphanten, các cacben, các hợp chất cacboit. Các chất này, khác với nhựa và axit, nó không tan trong dầu. Chúng tạo hệ keo hoặc ngưng tụ thành cặn trong dầu. Dầu trong quá trình chịu tác động lâu dài của ánh sáng, cùng với sự xâm nhập của không khí sẽ làm sẫm màu dầu, do lúc này trong dầu tạo ra các chất nhựa và các chất khác. Trong tối hoặc ngoài ánh sáng phân tán, quá trình oxi hóa xảy ra với tốc độ chậm hơn khá nhiều.
Một thông số tiêu biểu nhất xem dầu còn có thể sử dụng được hay không là chỉ số axit, trong đó không chỉ chú ý đến hàm lượng axit mà còn chú ý đến các dạng axit tạo thành. Các axit có phân tử lượng nhỏ có khả năng ăn mòn rất lớn nhưng chỉ khi dầu có lẫn một hàm lượng nước nào đó. Trong các dầu không lẫn nước người ta thấy rằng các axit kể cả các axit có phân tử lượng nhỏ cũng không gây ra một sự ăn mòn đáng kể nào. Các sản phẩm keo dính của các quá trình oxi hóa tạo thành có thể kết tụ trên đường ống dẫn dầu trên các van của động cơ, ngăn ngừa sự luân chuyển cũng như sự bôi trơn của dầu và có thể là nguyên nhân gây hư hỏng máy móc. Như vậy, xu hướng của dầu đối với việc tạo thành các chất keo tụ ở nhiệt độ thấp như các asphanten, cacben, cacboit cũng như các xà phòng chứa đồng, sắt của các axit naphtenic và các axit khác có ý nghĩa nhỏ hơn việc làm tăng trị số axit của dầu. Việc tăng khả năng chống oxi hóa của dầu trong giải nhiệt độ trung bình có thể đạt đuợc nhờ các phụ gia chống oxi hóa.
2. Sự nhiễm bẩn của các tạp chất
Các hạt kim loại có lẫn trong dầu do sự mài mòn của các bề mặt kim loại của các chi tiết, hay các tạp chất như là bụi, cát trong không khí rơi vào dầu trong quá trình sử dụng và tích lũy lại trong dầu. Các tạp chất này gây ra sự mài mòn lớn cho các bề mặt của chi tiết trong quá trình làm việc. Đối với các máy móc, thiết bị làm việc trong môi trường nhiều bụi thì hàm lượng tạp chất này rất lớn, thậm chí đến vài phần trăm.
Trong quá trình làm việc của dầu thì dầu còn bị nhiễm nước, nguyên nhân là do nước có từ không khí xung quanh, từ các sản phẩm cháy của nhiên liệu, và do cả sự không kín của hệ thống làm mát động cơ. Nước nằm trong dầu ở dạng hòa tan hoặc dạng nhủ tương, tùy thuộc vào từng điều kiện cụ thể mà nó có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác.
Tóm lại, trong quá trình dầu làm việc thì dầu luôn luôn bị nhiễm bẩn bởi các tạp chất cơ học và nước.
3. Sự làm loãng bởi nhiên liệu
Đối với các động cơ đốt trong, dầu nhờn không chỉ có vai trò bôi trơn, tản nhiệt mà chúng còn có tác dụng làm kín, khít các khe hở không cho các khí cháy từ xylanh lọt xuống cacte bằng một lớp màng dầu mỏng ở thành xylanh. Khi nhiên liệu được đưa vào xylanh của động cơ thì chúng được tạo thành hạt gồm không khí, hơi và các giọt dạng sương mù của nhiên liệu. Các hạt nhiên liệu này có thể đọng ở trên thành xylanh và có thể trộn lẫn với dầu nhờn. Ngoài ra, trong giai đoạn đầu của quá trình làm việc, đặc biệt là khi động cơ khởi động, hơi nhiên liệu có thể ngưng tụ lại trong bề mặt của xylanh và sẽ chảy xuống pha loãng dầu.
Thông thường, dầu nhờn hàng không đã sử dụng thì lượng nhiên liệu có thể bị lẫn vào là khoảng từ 2 - 3%, còn trong dầu ôtô đã sử dụng thì chứa khoảng 3 -7%. Như vậy, loại nhiên liệu sử dụng có thành phần cất càng nặng, tức là nhiệt độ sôi càng cao, thì nó càng bay hơi chậm hơn, ngưng tụ dễ dàng hơn và sự pha loãng dầu càng mạnh hơn.
Sự lẫn nhiên liệu vào trong dầu nhờn dẫn đến việc làm giảm nhiệt độ bắt cháy và độ nhớt của dầu nhờn.
4. Sự phân hủy bởi nhiệt
Khi dầu tiếp xúc với các phân tử nhiệt độ cao của máy móc thì xảy ra sự phân hủy nhiệt, cracking. Kết quả của quá trình này là tạo ra các sản phẩm nhẹ dễ bay hơi cùng với các cấu tử nặng. Ngoài ra, dầu còn chịu sự đốt nóng cục bộ khá lớn. Xu hướng dầu khoáng đối với sự phân hủy nhiệt phụ thuộc trước hết là vào thành phần hydrocacbon trong nó. Các hydrocacbon trong dầu mà có cấu trúc càng phức tạp, mạch càng dài thì nó càng dễ dàng bị phân hủy dưới tác dụng của nhiệt độ cao.
Tốc độ phân hủy của các hydrocacbon tăng lên cùng với sự tăng nhiệt độ và trong một khoảng nhiệt độ xác định nào đó [ví dụ 400 - 450oC] thì tốc độ phân hủy của dầu tăng theo định luật Vanhoff. Theo qui luật này khi nhiệt độ tăng lên 10oC thì tốc độ phân hủy sẽ tăng lên khoảng 2 lần. Một số các kim loại như Cu, Zn làm giảm một cách đáng kể nhiệt độ phân hủy của hydrocacbon bởi vì nó thể hiện vai trò xúc tác trong quá trình này