Lịch Sử Ngắn Gọn về Chất Phân Tán và Nhu Cầu Tương Lai

Chất phân tán giữ các vật liệu không hòa tan và bồ hóng lơ lửng trong dầu để chúng có thể được loại bỏ ở lần thay dầu tiếp theo. Chúng ngăn chặn các chất thải kết tụ lại, gây cặn bám xung quanh động cơ và làm giảm hiệu suất vận hành.  

Trong động cơ xăng, sự hình thành cặn bùn ở tốc độ thấp, nhiệt độ thấp, điều kiện dừng liên tục có thể là một vấn đề. Các chất phân cực không tan trong dầu và các chất gây ô nhiễm tích tụ trong dầu. Nếu không được kiểm tra, chúng sẽ gây ra cặn và vecni ở những khu vực mát hơn của động cơ, gây ra các vấn đề khi vận hành. 

Chất phân tán kiểm soát sự tăng độ nhớt do hình thành bồ hóng, chủ yếu ở động cơ HDD mà còn ở một số động cơ phun xăng trực tiếp. Muội được tạo ra trong quá trình đốt cháy và xâm nhập vào khối dầu, khiến dầu đặc lại. 

Động cơ chạy bằng khí tự nhiên có thể rất nhạy cảm với nồng độ tro bôi trơn. Chúng có nhiều kiểu dáng và hoạt động trên nhiều nguồn nhiên liệu khác nhau. Dầu bôi trơn không có hoặc có hàm lượng tro rất thấp dựa vào chất phân tán không tro để mang lại khả năng kiểm soát tối đa các chất không hòa tan và cặn lắng. 

Dầu hộp số tự động thường chứa một mức độ phân tán nào đó. Ricardo Bloch, một kỹ sư hóa học công nghiệp đã nghỉ hưu có trụ sở tại Hoa Kỳ, nói với Lubes'n'Greases rằng chức năng của chất phân tán là "giữ cho bộ ly hợp không có mảnh vụn bằng cách phân tán các sản phẩm phụ oxy hóa. Nếu bộ ly hợp bị cắm hoặc tráng men, hộp số sẽ không chuyển số đúng giờ. Những yếu tố này làm cho các chất phân tán này khác với chất phân tán cacte." 

Hóa chất phân tán

Các chất phân tán thông thường là các vật liệu hữu cơ bao gồm một đuôi polyme tan trong dầu, thường là polyisobutylene và một nhóm phân cực gắn liền. Nhóm cực bao gồm một nhóm cầu nối, thường là anhydrit maleic và một nhóm chức năng thường dựa trên nitơ. 

Loại chất phân tán thông thường phổ biến nhất sử dụng PIB làm nhóm tan trong dầu. Trọng lượng phân tử là một biến số quan trọng đối với tính chất phân tán. Bloch cho biết: “PIB được tạo ra bằng cách oligome hóa isobutylene và có nhiều trọng lượng phân tử khác nhau từ vài trăm đến hàng chục nghìn”.

Ông nói thêm: “Nhóm polyme phải hòa tan trong dầu và nhóm phân cực phải tự gắn vào chất thải trong dầu để nó tồn tại trong dung dịch dầu”. “Nếu nhóm alkyl polymer quá nhỏ, chất phân tán không có khả năng giữ cho vật liệu không hòa tan được phân tán.” 

Để chuyển PIB thành chất phân tán, nó được ghép với maleic anhydrit (cầu nối) để tạo thành polyisobutylene succinic anhydrit. Phản ứng với anhydrit maleic có thể là “nhiệt”, sử dụng PIB có tính phản ứng cao (HR-PIB) hoặc được tạo điều kiện bằng khí clo. Nhiều hơn một anhydrit maleic có thể được thêm vào một phân tử PIB để tối đa hóa chức năng của mỗi phân tử.

PIBSA sau đó phản ứng với một amin để tạo ra chức năng. Loại và mức độ nitơ của amin còn có thể thay đổi và trong nhiều chất phân tán, đây là polyamine. Những sửa đổi khác, như thêm boron, có thể được thực hiện để sửa đổi các đặc tính.

Chất điều chỉnh độ nhớt phân tán được sử dụng trong một số công thức dầu động cơ. Họ không sử dụng polyme PIB mà thay vào đó là một loại polyme tiêu chuẩn, như chất đồng trùng hợp olefin, phản ứng với anhydrit maleic để trở thành chức năng. Chúng có chiều dài chuỗi dài hơn nhiều so với các chất phân tán thông thường.

Các poly-methacrylat phân tán sử dụng monome alkyl methacrylate để tạo ra nhóm polyme hòa tan trong dầu. Nhóm axit cacboxylic trong monome được sử dụng làm cầu nối để thêm các nhóm chức chứa nitơ. Nhóm cầu và chức năng thường xuyên được gắn dọc theo chuỗi polyme.

Đặc tính PMA phân tán có thể thay đổi thông qua việc lựa chọn monome dựa trên methacrylate, trọng lượng phân tử polyme cũng như loại và mức nitơ của nhóm amin chức năng. Chúng kết hợp quá trình tăng cường đặc tính độ nhớt của chất lỏng với việc kiểm soát độ phân tán. Công nghệ PMA VM được sử dụng trong chất lỏng truyền động vì đặc tính lưu động ở nhiệt độ thấp rất tốt so với các loại VM khác. PMA có thể được kết hợp với phần còn lại của gói phụ gia thành một gói hiệu suất truyền ổn định duy nhất.

Sơ lược về lịch sử của chất phân tán

Chất phân tán bắt đầu được sử dụng rộng rãi vào những năm 1950 cùng với các công nghệ cũ hơn về kẽm dialkyldithiophosphate và chất tẩy kim loại dùng cho chất bôi trơn cacte. Bloch cho biết: “Khi ô tô chạy trên quãng đường ngắn, sự hình thành bùn đã xảy ra, điều này được cải thiện nhờ sử dụng chất phân tán PIBSA/PAM trọng lượng phân tử thấp”.

Việc sử dụng chất phân tán đã tăng lên từ năm 1970 đến năm 2000, đặc biệt là để đáp ứng việc áp dụng thử nghiệm động cơ ô tô khách Sequence V đối với cặn và vecni ở nhiệt độ thấp. Công nghệ phân tán chủ yếu dựa trên PIB, được clo hóa để thêm anhydrit maleic và sau đó phản ứng với các amin. “Chất phân tán PMA được giới thiệu vào những năm 1960, sau đó là OCP phân tán vào cuối những năm 1970.” Bloch nói. “Những vật liệu này xử lý tốt bùn và vecni ở nhiệt độ thấp.”

Kể từ năm 2000, người ta đã chú trọng hơn đến việc xử lý bồ hóng vì động cơ diesel đã chiếm thị phần lớn hơn trong doanh số bán xe khách trên toàn cầu và động cơ HDD tạo ra lượng bồ hóng cao hơn. Rolfe Hartley của Sangemon Consulting có trụ sở tại Hoa Kỳ nói với Lubes'n'Greases: “Vào cuối những năm 1990, bồ hóng trong động cơ diesel là hậu quả của việc các OEM cố gắng kiểm soát lượng khí thải NOX”. “Thời gian động cơ bị chậm lại làm giảm nhiệt độ đốt cao nhất, dẫn đến quá trình đốt cháy không hoàn toàn và tạo ra muội than.”

Ông nói thêm, “Tuần hoàn khí thải được làm mát (EGR) cũng được sử dụng để giảm NOX; tuy nhiên, điều này dẫn đến việc đưa chất ngưng tụ có tính axit cao vào dầu, làm cho muội than trở nên đặc hơn.” 

Công nghệ phân tán có trọng lượng phân tử cao hơn được phát triển và cho thấy khả năng xử lý bồ hóng tốt hơn. Các nhà chế tạo đã cân bằng các thành phần phân tán để xử lý bùn và vecni ở nhiệt độ thấp cũng như xử lý bồ hóng ở nhiệt độ cao hơn, dẫn đến tăng tốc độ xử lý chất phân tán và hỗn hợp phân tán. 

Chất phân tán đã được sử dụng một thời gian trong dầu xi lanh hàng hải 2 thì, mặc dù trước đây chất tẩy rửa quan trọng hơn. 

Việc sử dụng chất phân tán VM trong dầu động cơ đã giảm do độ biến động của dầu gốc được cải thiện khi đưa vào sử dụng dầu gốc API Nhóm II và Nhóm III cũng như những cải tiến đối với chất phân tán thông thường. Các quy trình thử nghiệm động cơ dành cho chất phân tán VM rất phức tạp vì mức độ phân tán trong công thức thay đổi tùy theo tốc độ xử lý VM cho từng cấp độ nhớt. Độ phân tán không đổi đòi hỏi mức VM phân tán cố định và bổ sung VM không phân tán thứ hai để đạt được cấp độ nhớt mục tiêu.

Nhận thức về môi trường tốt hơn xung quanh hàm lượng clo dư trong chất bôi trơn đã dẫn đến việc đưa ra giới hạn clo trong một số thông số kỹ thuật của dầu bôi trơn OEM. “Các OEM ô tô lo ngại rằng các hợp chất clo hóa trong chất bôi trơn có thể làm phát sinh dioxin trong khí thải,” nhà tư vấn Trevor Gauntlett có trụ sở tại Vương quốc Anh nói với Lubes'n'Greases. “Điôxin rất ổn định; nhiều chất dai dẳng, tích lũy sinh học và độc hại, bao gồm cả chất gây ung thư mạnh.” 

Cần có chất phân tán gốc HR-PIB để đáp ứng các giới hạn clo này và chúng cũng cho thấy lợi ích về hiệu suất bôi trơn động cơ cao cấp. Do đó, HR-PIB đã chứng kiến nhu cầu tăng trưởng đáng kể, thay thế PIB clo hóa cho chất phân tán.  

Yêu cầu phân tán trong tương lai

Động lực hiện tại của chất bôi trơn trục khuỷu mới bao gồm giảm lượng khí thải và cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Chất phân tán không có tác động đáng kể đến phần cứng kiểm soát khí thải, như chất xúc tác khí thải và bộ lọc hạt, đồng thời không góp phần vào các ràng buộc hóa học của tro sunfat, lưu huỳnh và phốt pho. Do đó, chúng là thành phần có lợi trong các công thức hạn chế phát thải. Nỗ lực tạo ra các loại dầu có độ nhớt thấp hơn để cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu là một thách thức đối với các chất phân tán, vì chúng là tác nhân làm đặc đáng kể tạo nên độ nhớt ở nhiệt độ thấp. Các nhà nghiên cứu đang tìm cách duy trì lợi ích của việc kiểm soát bùn, vecni và bồ hóng đồng thời giảm sự góp phần của polyme vào việc làm đặc độ nhớt. 

Steve Haffner của SGH Consulting có trụ sở tại Hoa Kỳ nói với Lubes'n'Greases: “Không cần thiết phải có khả năng phân tán ở nhiệt độ thấp hoặc nhiệt độ cao hơn đối với các thông số kỹ thuật xe du lịch mới đang nổi ở Bắc Mỹ do mức độ bảo vệ cao ngày nay”. Việc sử dụng động cơ diesel của ô tô du lịch đang giảm sút đáng kể; động cơ diesel chỉ chiếm 17% doanh số bán ô tô mới ở EU vào năm 2021. 

Hartley cho biết: “Mức độ bồ hóng trong dầu giảm đi nhiều nhờ các thiết bị xử lý khí thải”. “Mức độ bồ hóng trong dầu thấp hơn có nghĩa là không cần phải kiểm soát bồ hóng bổ sung.” 

Lĩnh vực trọng tâm đang phát triển là động cơ hybrid, có cả động cơ đốt trong và động cơ điện. Giảm thời gian vận hành động cơ hoặc vận hành ở nhiệt độ thấp ở xe hybrid có thể tạo ra các vấn đề về ngưng tụ và tạo cặn, tạo cơ hội kiểm soát độ phân tán tốt hơn. 

Đối với HDD, Haffner cho biết “dự kiến mức độ bảo vệ ngày nay bằng hoặc tốt hơn mức mà các OEM cần trong động cơ mới của họ, vì vậy các bộ phân tán hiện có hoặc các phiên bản tối ưu hóa hơn sẽ là đủ.” 

Hartley đồng tình. Ông nói: “Lượng khí thải NOX hiện được kiểm soát bằng cách giảm xúc tác có chọn lọc bằng urê, loại bỏ nhu cầu làm chậm thời gian hoặc sử dụng EGR trong các thiết kế động cơ tiên tiến nhất”. “Những động cơ này tạo ra ít bồ hóng trong dầu hơn, đòi hỏi ít sự phân tán hơn.” 

Hartley nói thêm: “Lý do chính khiến tốc độ xử lý chất phân tán trong ổ cứng vẫn cao là vì chúng phải tương thích ngược với các thiết kế động cơ trước đó”.

Nhu cầu HR-PIB tiếp tục tăng cùng với việc sử dụng chất phân tán clo hóa giảm đáng kể. Gauntlett nhận xét: "Đối với các nhà sản xuất, có một vấn đề là bản thân clo là một loại khí độc có khả năng phản ứng cao, có thể gây kích ứng da, mắt và đường hô hấp ở nồng độ khá thấp. Vì nó phản ứng với sắt và một số polyme nên nó cần có thiết bị chuyên dụng để vận chuyển, bảo quản và sản xuất."

Chất phân tán VM dành cho cacte làm giảm lượng chất phân tán thông thường trong công thức nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu. Tuy nhiên, các loại có độ nhớt rất thấp yêu cầu ít hoặc không cần VM, do đó khả năng phân tán có thể đạt được thấp. Sự phản đối của khách hàng đối với máy ảo phân tán vẫn còn. Các sản phẩm có xu hướng độc nhất, do đó, an ninh nguồn cung là mối quan tâm cùng với lượng VM bổ sung tại các nhà máy pha trộn.

Đối với dầu động cơ hàng hải, việc chuyển sang sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp hơn, tăng cường sử dụng các loại sản phẩm chưng cất và thiết kế động cơ mới có nghĩa là việc sử dụng chất phân tán hiệu quả ngày càng trở nên quan trọng. Điều này cần được cân bằng với nhu cầu liên tục về chất tẩy rửa khi xây dựng sản phẩm mới.

Đối với ATF, một lần nữa tiết kiệm nhiên liệu là động lực chính cùng với khả năng tương thích phần cứng và điện cao hơn trong hộp số điện tử. Độ nhớt đang trở nên rất thấp, hạn chế nhu cầu và khả năng sử dụng VM trong truyền tải điện tử.  Tuy nhiên, PMA phân tán vẫn có thể đóng vai trò đảm bảo khả năng chống oxy hóa tốt hơn, có khả năng dẫn điện cao hơn một chút. Đặc tính ma sát cũng có thể cần thiết nếu hộp số điện tử có bộ ly hợp hoặc bộ đồng bộ hóa.  

DẦU HÀNG KHÔNG VICTORY® 100AW

Dầu động cơ đơn cấp, chất phân tán không tro có phụ gia chống mài mòn cho động cơ Pít-tông máy bay

Phillips 66® Victory Aviation Oil 100AW là loại dầu động cơ đơn cấp, phân tán không tro được pha trộn sẵn với nồng độ thích hợp của chất phụ gia chống trầy xước/chống mài mòn (LW-16702) do Lycoming Service Bulletins 446E và 471B và Hướng dẫn Dịch vụ 1409C quy định. Nó được khuyến khích sử dụng trong động cơ máy bay có piston hướng tâm và piston hướng đối diện, nơi đáng lo ngại về độ mòn của bộ nâng cam.

Có hai loại dầu hàng không cơ bản được FAA phê chuẩn sử dụng trong động cơ piston máy bay hàng không nói chung.

1. Khoáng thẳng

2. Chất phân tán không tro (AD)

Nhiều động cơ Lycoming sử dụng dầu khoáng thẳng cho mục đích "đột nhập" với động cơ mới, được chế tạo lại hoặc đại tu. Sau đó, người vận hành nên chuyển sang sử dụng dầu AD sau khi quá trình “đột nhập” hoàn tất. Ở những động cơ sử dụng dầu gốc khoáng vượt quá thời gian sử dụng bình thường (25 đến 50 giờ), việc chuyển sang dùng dầu AD sau này phải được thực hiện một cách thận trọng vì cặn bùn lỏng có thể làm tắc nghẽn đường dẫn dầu. Lưới lọc dầu phải được kiểm tra sau mỗi chuyến bay cho đến khi không còn xuất hiện cặn bùn nữa.

Những động cơ Lycoming được sử dụng dầu AD bao gồm tất cả các mẫu động cơ tăng áp, O-320-H và O/LO-360-E.

Vì các loại dầu phân tán không tro hiện đại được FAA phê chuẩn đã bao gồm các chất phụ gia làm cho chúng vượt trội hơn so với dầu khoáng thẳng, nên việc sử dụng các chất phụ gia dầu bổ sung trong động cơ Lycoming rất hạn chế. Chất phụ gia duy nhất được Lycoming phê duyệt là mã bộ phận Lycoming LW-16702, một chất phụ gia dầu chống trầy xước, chống mài mòn. Chính sách quản lý việc sử dụng chất phụ gia dầu này được nêu trong các phiên bản mới nhất của Bản tin dịch vụ 446 và 471, và trong Hướng dẫn dịch vụ 1409. Các ấn phẩm này phê duyệt việc sử dụng LW-16702 cho tất cả các động cơ pittông Lycoming ngoại trừ những động cơ sử dụng ly hợp loại ma sát và hệ thống dầu động cơ chung cho bộ truyền động và cụm ly hợp. Việc sử dụng LW-16702 là bắt buộc trong một số kiểu động cơ nhất định. Các model này là 0-320-H, O-360-E, LO-360-E, TO-360-E, LTO-360-E, TIO và TIGO-541.

Dầu động cơ sạch là điều cần thiết để kéo dài tuổi thọ động cơ và bộ lọc dầu toàn dòng là một cải tiến bổ sung so với các phương pháp lọc cũ. Nhìn chung, kinh nghiệm bảo dưỡng cho thấy rằng việc sử dụng bộ lọc dầu bên ngoài có thể làm tăng thời gian giữa các lần thay dầu với điều kiện các bộ phận lọc được thay thế ở mỗi lần thay dầu. Tuy nhiên, hoạt động ở những khu vực nhiều bụi, khí hậu lạnh và những nơi có chuyến bay không thường xuyên với thời gian không tải dài sẽ yêu cầu thay dầu thường xuyên hơn tương ứng mặc dù đã sử dụng bộ lọc dầu.. Bộ phận lọc dầu và dầu phải được thay thế thường xuyên sau mỗi 50 giờ hoạt động của động cơ và bộ lọc phải được mở ra để kiểm tra vật liệu bị mắc kẹt trong bộ lọc để tìm bằng chứng hư hỏng bên trong động cơ. Trong các động cơ mới hoặc được đại tu gần đây, có thể tìm thấy một số mảnh vụn kim loại nhỏ nhưng chúng không nguy hiểm. Kim loại được tìm thấy sau hai hoặc ba lần thay dầu đầu tiên phải được coi là dấu hiệu cho thấy một vấn đề nghiêm trọng đang phát triển và cần tiến hành điều tra kỹ lưỡng. Bộ lọc dầu không loại bỏ các chất gây ô nhiễm như nước, axit hoặc cặn chì ra khỏi dầu. Những chất gây ô nhiễm này được loại bỏ bằng cách thay dầu.

Bộ lọc dầu thậm chí còn quan trọng hơn đối với động cơ có độ nén cao hoặc công suất cao hơn. Một số nhà sản xuất máy bay đã thành công rực rỡ với động cơ bốn xi-lanh nhỏ, có độ nén thấp hơn mà không cần sử dụng bộ lọc toàn dòng. Nói chung, những động cơ này cũng có thể đạt được tuổi thọ đại tu dự kiến miễn là dầu được thay thường xuyên, đồng thời việc vận hành và bảo dưỡng được thực hiện theo khuyến nghị của nhà sản xuất khung máy bay và động cơ.

Bản sửa đổi mới nhất của Hướng dẫn dịch vụ Lycoming 1014 đưa ra các khuyến nghị về dầu bôi trơn, chu kỳ thay dầu và ngắt động cơ. Phi công và thợ máy nên biết trọng lượng, loại và nhãn hiệu dầu đang được sử dụng trong động cơ đang được bảo dưỡng. Mỗi lần thay dầu, thông tin cụ thể này phải được ghi vào nhật ký động cơ. Ngoại trừ biện pháp tạm thời trong trường hợp khẩn cấp, không nên trộn lẫn các loại dầu khác nhau. Việc trộn dầu bừa bãi liên tục có thể gây ra vấn đề tiêu thụ dầu cao hoặc bị tắc vòng kiểm soát dầu và lưới chắn dầu.

Tiêu thụ dầu là một xu hướng sức khỏe động cơ rất quan trọng cần theo dõi. Người vận hành và người bảo trì nên biết lịch sử chung về mức tiêu thụ dầu trong suốt vòng đời của động cơ. Điển hình là động cơ trong quá trình lắp các vòng piston mới mà mức tiêu thụ dầu có thể thất thường hoặc cao; nhưng sau khi các vòng đệm được đặt vào vị trí, thường trong vòng 25 đến 50 giờ đầu tiên, mức tiêu thụ dầu sẽ giảm xuống dưới giới hạn tối đa do nhà sản xuất thiết lập. Sau này, trong suốt vòng đời của động cơ, nếu mức tiêu thụ dầu tăng đáng kể trong khoảng thời gian 25 giờ, thì đây có thể là một tín hiệu nguy hiểm và cần phải điều tra. Các màn chắn và bộ lọc dầu phải được quan sát cẩn thận để phát hiện các dấu hiệu của kim loại. Nhân viên bảo trì nên kiểm tra độ nén của xi lanh bằng thiết bị chênh lệch áp suất và cũng nhìn vào bên trong xi lanh bằng kính soi hoặc đèn cổ ngỗng để phát hiện bất kỳ tình trạng bất thường nào.