Motor & olie - 1. Kromzwaard

Transcriptie

1 Motor & olie - 1 Voor dit artikel heb ik gebruik mogen maken van een artikel van Chris Reed, een lid van de Engelse Jensen Owners Club. Zijn artikel is geplaatst in het Jensen Owners Club blad Torque. Dit is een speciale uitgave met alleen technische aangelegenheden naast het gewone clubblad. Het stuk is vervolgens geredigeerd en bewerkt door Remy Wiggers van de TVR CC Holland, die dit artikel heeft geplaatst in het Sprint Magazine van die club eerder dit jaar. Ik wil Chris en Remy hartelijk danken voor hun collegiale bereidwilligheid in het delen van deze informatie met de leden van de Scimitar Club Nederland. Oliesoorten 10W40, 20W50, 15W40, mineraal, synthetisch, half synthetisch, iedereen weet dat olie in een motor van zeer groot belang is, maar er zijn vele verschillende meningen en er bestaan de wildste verhalen over welke olie je zou moeten gebruiken en waarom. Eigenaren van klassieke - en niet-dagelijkse auto s worden platgegooid met steeds verschillende en veelal onjuiste of op zijn minst twijfelachtige informatie en dat maakt de juiste keuze erg lastig. De functie en werking van olie is best een complex onderwerp. Niet alleen voorziet de olie de motor van smering, maar het speelt ook een grote rol in de bescherming tegen corrosie en verzorgt de koeling van de interne delen van de motor. Om de primaire functie de smering te kunnen vervullen moet olie ontzettend sterk zijn. Lageroppervlakken worden van elkaar gehouden door enkel de kracht van de oliefilm. Andere delen, zoals nokkenas volgers, worden door Kromzwaard een schrapende beweging belast bij een druk van vele tonnen per cm 2. De olie reinigt ook en moet daarvoor ook kleine deeltjes in oplossing houden totdat deze er door het filter uit kunnen worden verwijderd. Het voert ook warmte af en moet deze warmte kunnen weerstaan tegelijk met de aantasting door corrosieve bijproducten van de verbranding. In een draaiend lager staat de olie die direct langs het stilstaande deel van het lager zit, zelf ook stil, maar de olie die direct langs het draaiende deel zit, draait met de snelheid van dat deel. Als je dit zou kunnen bekijken op moleculair niveau dan zou de olie aan het ene oppervlak dus stil staan, maar verder van dit oppervlak verwijderd zouden de olielagen progressief sneller bewegen, waarbij de oliemoleculen dus gedwongen worden om langs elkaar te schuiven, tegen hun natuurlijke cohesie krachten in, in een proces dat afschuiving wordt genoemd (shearing). In een krukaslager (hoofdlager) of big end (drijfstanglager) lager vindt dit alles plaats in een ruimte van misschien zelfs slechts micron en het mag geen significante aantasting van de olie veroorzaken. Er was een tijd toen de keuze voor olie nog simpel was: SAE40 in de zomer, die veelal in november werd vervangen door de iets dunnere SAE20 voor de winter. Men begon met de toevoeging van additieven tegen aantasting en achteruitgang en tijdens de jaren 40 en 50 konden autofabrikanten SAE30 aanbevelen, maar nog steeds was de meeste olie single grade en werd gewisseld voor een dunnere soort voor de winter.

2 Duckhams Q5500 was een van de eerste multigrade oliën en werd in 1951 gepresenteerd als de olie voor het hele jaar en het werd een SAE10W30 genoemd. Het was eigenlijk een dunne SAE10, gemodificeerd met viscositeit verbeteraars om het zich te laten gedragen als een dikkere zomer olie bij hogere temperaturen. Maar tegenwoordig is er een enorm scala aan oliën om uit te kiezen, inclusief vele verschillende minerale - multigrade -, klassieke -, half synthetische - en vol synthetische olie. Maar de vraag is: welke is het beste? En welke grade is geschikter en waarom? Om deze vragen te beantwoorden, laat ik eerst zien wat er precies gebeurt binnen in de verschillende motoronderdelen zoals de lagers, nokken en zuigers die we proberen te beschermen en over de eigenschappen van olie, wat het doet en hoe het dat doet. In figuur 1 vind u een overzicht van de oliecirculatie in een motor. De olie die je boven in je motor giet, loopt langs vele wegen en komt uiteindelijk in het carter terecht, maar onder druk gaat het slechts via één weg om zijn werk te doen. De olie aanzuigopening diep in het car- Figuur 1. Kromzwaard ter beschikt over een eerste metalen zeef om te voorkomen dat grotere deeltjes in de oliepomp komen. De meeste oliepompen bestaan uit een set tandwielen die aan de ene zijde een zekere hoeveelheid olie aanzuigen en onder hoge druk deze olie door de oliekanalen pompen. In deze pompen zit een door veerdruk gesloten klep ingebouwd, die de druk in het systeem reguleert. De klep staat een maximale druk toe van gebruikelijk zo n 4,15 bar (60 psi). Elke hoeveelheid die een hogere druk veroorzaakt zal via deze klep worden teruggeleid naar het carter, want ook een te hoge oliedruk kan lagers beschadigen. In de praktijk levert de pomp veel meer olie dan noodzakelijk en de meeste olie zal dan ook weer direct terugvloeien in het carter. Vanaf de pomp gaat de olie naar de buitenzijde van het oliefilter en daar wordt het door het filtermedium geperst naar het midden van het filter, waarvan uit het in de oliekanalen van het motorblok wordt gepompt. De olie wordt eerst in de ruimte tussen de lageroppervlakken van de lagers van de krukas en de big ends geperst. Deze lagers zijn simpele metalen schalen die om de roterende delen van de motor de krukas - sluiten. De kleine ruimte tussen de lagerschalen, meestal 25 tot 38 micron, bevat een dunne laag olie tussen de lagerschalen en de lager oppervlakken van de krukas. Onder druk en bij de juiste temperatuur, beschermt en verlengt de olie de levensduur van deze nauwkeurig op maat gedraaide delen. Het is belangrijk te beseffen dat een deel van de olie zijwaarts uit de lagers wordt geperst en terugdruppelt in het carter. Als hier de lagerspeling te groot is, zal er te veel olie weglekken en kan

3 er onvoldoende volume overblijven en zal eerst de oliedruk in het bovendeel van de motor afnemen, maar uiteindelijk in het hele systeem, omdat de pomp niet meer kan aanleveren dan er weglekt terug in het carter. De meeste olie smeert het gebied rondom de krukas, terwijl het overige deel de nokkenas en de tuimelaarassen smeert. Als de auto klepstoters heeft in plaats van een bovenliggende nokkenas, dan wordt de olie onder druk in de kleplifters geperst. Deze lifters pompen soms ook olie op door de holle klepstoters om zo de tuimelaaras omgeving te smeren. Bij een bovenliggende nokkenas, wordt de olie naar de nok geleid en verspreid over de contactvlakken tussen de nok en de klepstelen. Na de nokkenas en de daarbij behorende delen te hebben gesmeerd loopt de olie onder invloed van de zwaartekracht door kanalen in de cilinderkop en het motorblok terug naar het carter, klaar om een nieuwe reis te beginnen. In het ontwerp van sommige drijfstangen zit een klein gaatje dat olie op de cilinderwand spuit om het gebied waar de zuigerveren bewegen te smeren. In andere gevallen wordt de onderkant van de zuigers en cilinderwanden gesmeerd door afspattende olie van de draaiende krukas. Speciale zuigerveren aan de onderzijde van de zuigers (olieschraapveren) vegen de overtollige olie weg, terug in het carter. De oliedrukmeter zit normaliter op de hoofd aanvoerleiding waar de weerstand tegen de oliestroom wordt gemeten. Anders gezegd: hoeveel kracht is er nodig om de olie te laten circuleren? Vooropgesteld dat de overdrukklep correct werkt, wordt deze weerstand hoofdzakelijk veroorzaakt door de weerstand van de stroming in het krukas gebied. Als de spelingen op de lagers te groot zijn, dan zal er te veel olie gaan stromen, waardoor de afgelezen druk zal afnemen. Kromzwaard Een dag in het leven van olie. De condities waaronder een motor draait kunnen erg zwaar zijn voor de motorolie. De motor produceert kool dioxide (CO 2 ), waterdamp, stikstof verbindingen (NO x ) en gedeeltelijk verbrande olie of brandstof die vervuilingen worden. In werkelijkheid worden de effecten meer complex afhankelijk van het soort gebruik van de motor, maar er zijn 4 soorten die de meeste soorten van gebruik dekken: snelweg, zware last, stadsverkeer en korte trips. De ene of de andere kan meer dominant zijn, maar de meeste auto s zullen op enig moment in meer of mindere mate worden gebruikt onder een van deze condities. Een typische volgorde van gebeurtenissen gaat ongeveer zo. Een voldoende hoeveelheid olie wordt aangezogen door de pomp, gefilterd door de het oliefilter en verdeeld naar de motordelen die smering behoeven. Er dient voldoende olie, bij voldoende druk aanwezig te zijn om de lagers op een dunne vloeistof film te laten draaien. Motorolie wordt of gespoten of gespat op de cilinderboringen en langs de boringen bewogen door de bewegingen van de zuigerveren. De condities zijn hier zeer zwaar, met exploderende brandstof meerdere malen per seconde waardoor extreme hitte en drukken worden opgewekt en soms, als de verbranding niet volledig is, ook corrosieve chemicaliën. Alleen de hitte zou al voldoende zijn om de olie te oxideren tot zuren als niet de antioxidant (zo lang die niet is afgebroken) de oxidatie en vorming van zuren zou tegengaan. Zodra de antioxidant is afgebroken, wordt er een tweede verdedigingslijn gevormd door reinigingsmiddelen die de zuren neutraliseren die worden gevormd wanneer olie bij hoge temperaturen in aanraking komt met zuurstof. Zo reduceert het reinigingsmiddel de snelheid waarmee reactie producten

4 worden opgebouwd op motoroppervlakken en daarmee helpt het reinigingsmiddel de motoroppervlakken schoon te houden. Deze effecten variëren afhankelijk van het gebruik. Bij snelweg gebruik zijn deze effecten minimaal omdat de motor bij gelijkblijvende condities functioneert en de verbranding nagenoeg volledig is, met zodoende minimale hoeveelheden bijproducten. Dit is vaak waarom de motor van een auto die veelvuldig voor lange afstanden is gebruikt en zodoende een hoge kilometerstand heeft bereikt in een relatief korte tijd, vaak in een betere conditie zal verkeren dan een even oude auto die alleen is gebruikt voor plaatselijke winkel tripjes. Onder zware omstandigheden (bijv. in lage versnelling bij lage of gemiddelde snelheid een lange heuvel beklimmen) zijn de motorsnelheden en olie temperatuur hoger en verloopt het verouderingsproces van de olie sneller. De viscositeit van olie is lager bij hogere temperatuur hetgeen betekent dat er zwakkere olie films tussen de contactpunten aanwezig zijn. Deze effecten versnellen de mate van slijtage, hoewel oliekoelers een deel van deze gevolgen kunnen beperken. In extreme situaties zullen de lichtere fracties in de olie eruit koken, wat resulteert in verdikking van de olie en de anticorrosie/ antislijtage toevoegingen zullen een snellere thermische degradatie ondergaan, wat betekent dat er sneller verhoogde slijtage optreedt. Bij stadsgebruik zijn er doorlopend start/stop omstandigheden, met lange perioden van stationair draaien, bijvoorbeeld bij verkeerslichten. De plotselinge acceleratie of wanneer een file doorschuift, gevolgd door een nieuwe periode van stationair draaien, leidt er vaak toe dat onvolledige verbranding optreedt, waarbij organische zuren en andere heftige chemische verbindingen Kromzwaard worden gevormd. Excessieve perioden van stationair draaien of van lage snelheid, waarbij de motor weinig of geen koeling ondervindt van de wind, bevorderen tevens de vorming van agressieve chemicaliën die kunnen condenseren in de olie of erin worden gevormd. Bij veelvuldig kort gebruik of bij korte ritten zijn de condities slechter, speciaal bij koud weer. Zodra de motor is gestart, begint er brandstof te condenseren in de olie. Zelfs bij langere ritten, waarbij de lichtere fracties van de brandstof weer zullen uitdampen, zullen sommige zwaardere fracties achterblijven en veroorzaken zo een lagere viscositeit dan normaal. Gedeeltelijk verbrande brandstof (inclusief organische zuren en andere agressieve chemicaliën) zullen ook in de olie condenseren en kunnen de beschermende toevoegingen afbreken, de basis olie aantasten evenals sommige motor materialen. Je ziet nog al eens dat men juist voor het afschakelen van de motor nog even een keer gas geeft. Doe dat nu niet, want daardoor zal relatief veel ongebruikte brandstof condenseren en in de olie terecht komen. Zuren afkomstig van de brandstof zullen bijvoorbeeld de reinigingsmiddelen neutraliseren en er voor zorgen dat de anticorrosie middelen minder effectief worden en er voor zorgen dat reactieproducten zich kunnen ophopen op oppervlakken, zoals bijvoorbeeld wassen en harsen op de zuigerveren. Zuren kunnen sommige oppervlakken van structuur wijzigen, zodat het materiaal makkelijker kan worden verwijderd door mechanische acties (bijvoorbeeld door wrijving) dan normaal het geval zou zijn. Dus deze corrosieve slijtage omstandigheden versnellen het verwijderen van metaal van wrijvende oppervlakken gedurende korte ritten in de winter.

5 Dit zijn zo de omstandigheden waar olie tegen bestand moet zijn, terwijl het toch steeds de voor de motor zo essentiële smering moet blijven verzorgen. De verschillende fases van lagersmering Er zijn 3 fases van smering als de as in het lager draait, die in figuur 2 worden getoond. Figuur 2. In de eerste fase is er de grenslaagsmering. Dit treedt op zolang er direct contact is tussen de wrijvingsoppervlakken. Hier bestaat de grootste mate van wrijving. Onder normale omstandigheden treft men grenslaagsmering aan tijdens het starten van motoren voordat de olie goed en wel begint te circuleren en dit is de fase waarbij de meeste slijtage optreedt. In de tweede fase is er gemengde smering waarbij enige olie tussen de oppervlakken wordt gepompt, maar waarbij nog intermitterend contact is tussen de hogere punten van de wrijvingsoppervlakken. Zodra er voldoende olie aanwezig is treedt de derde fase van de smering op genaamd hydrodynamische smering, waarbij er een oliefilm tussen de oppervlakken is. Deze film houdt de oppervlakken van elkaar gescheiden door een kracht die hydrodynamische lift wordt genoemd en die wordt opgewekt door de olie die door de versmallende opening tussen de as en de lagerschaal wordt geperst. De smering in een lager en de benodigde viscositeit Als een motor wordt uitgezet, zal de krukas tot rust komen en in contact komen met de lagerschalen tot de motor Kromzwaard opnieuw wordt gestart. Bedenk altijd dat het niet uit maakt hoeveel zorg er aan de bewerkingen is besteed, de metalen oppervlakken zullen nooit perfect glad zijn; er is altijd een zekere ruwheid die je zou kunnen zien als pieken en putten in het oppervlak en het contact zal altijd op de pieken van de oppervlakken zijn. Wanneer de motor draait en er olie in een lagertap wordt gepompt, wordt die olie door de tap meegesleept in het rond en vormt zo een hydrodynamische wig tussen de tap en de lagerschalen. Het is deze hydrodynamische wig die de krachten op de lagers draagt en voorkomt dat er contact is van metaal op metaal (metallisch contact). Zodra een motor wordt belast, draait de tap niet meer concentrisch in het lager, maar wordt zijwaarts weggedrukt door een gecombineerde reactiekracht van de neerwaartse krachten van de zuigers en de steunkrachten door de oliewig. Locaal kan de druk in deze hydrodynamische wig oplopen tot boven 400 bar (6.000 psi) Figuren 3 toont de beschreven situaties. Figuur 3. De viscositeit die benodigd is, is afhankelijk van het toerental van het lager, de olietemperatuur en de belasting. Als de gekozen olie een te lage viscositeit heeft, zal er warmte worden opgewekt door een onvoldoende dikte van de oliefilm en er zal enig metallisch contact plaatsvinden. Als de olie een te hoge viscositeit heeft, zal er eveneens warmte worden opgewekt, maar nu door de in-

6 terne vloeistof frictie in de oliefilm. Een te hoge viscositeit kan tevens de kans op cavitatie doen toenemen. De zones van hoge en lage druk, die worden veroorzaakt in de olie aan beide zijden van de minimale oliefilm dikte kunnen olie cavitatie in de lagers veroorzaken. Cavitatie is het gevolg van plotselinge uitzetting van opgeloste lucht of damp (van water of brandstof) in de zone met lage druk in het lager. De ontstane bel implodeert, waardoor schade wordt veroorzaakt tijdens de passage van de hoge-drukzone in het lager. Als namelijk de implosie plaatsvindt in direct contact met het metalen oppervlak, kan dit cavitatie putjes veroorzaken in het metaal. Dit fenomeen kan soms worden gezien wanneer men de hoofdlagerschalen verwijdert en er sporen zichtbaar zijn zoals die op onderstaande foto. De excentriciteit door de taprotatie is zichtbaar (zie figuur 4). Figuur 4. Zuigerpennen, zuigerrokken, zuigerveren en nokkenassen Alle genoemde delen hebben smering nodig, maar de wijze waarop zij worden gesmeerd varieert. De zuigerpennen (ook wel pistonpen, de pen waarop de zuiger scharniert op de drijfstang) hebben een soort van lagering als de hoofdlagers, maar de beweging is geen volledige rotatie. De snelheid Kromzwaard van de pen is onvoldoende om een volledige oliefilm tussen de oppervlakken te creëren, met een conditie van grenslaagsmering als resultaat. De hier gebruikte materialen zijn van belang om adhesie te minimaliseren en een toename van de olie aanvoer vermindert de neiging tot schaven. De zuigerrokken (onderste deel van de zuiger) en zuigerveren (compressie en olieschraap, de ringen in de zuigers die voor de afsluiting zorgen) zijn gezamenlijk verantwoordelijk voor bijna de helft van de wrijvingsweerstanden in een motor, dus om deze te verminderen dient er voldoende olie op de cilinderwanden te komen. Normaal gebeurt dit door olie die van de krukas afspat tijdens het draaien. Er is ook enige olie nodig voor de smering van de zuigerveren om goed te kunnen functioneren en om de wrijving tussen de ringen en de cilinderwand te verminderen. De olieschraapveer moet ervoor zorgen dat alleen de noodzakelijke olie de compressieveren bereikt. Elke druppel olie die langs de compressieveren komt verbrandt en is verloren. Terwijl de nokkenas roteert, drukt deze tegen een vlak of roterend oppervlak dat op en neer beweegt om de kleppen te openen en te sluiten. De actie is een schuifbeweging in één richting tussen twee oppervlakken met verschillende vormen. Deze contactvlakken worden geolied, maar soms zal de toevoer beperkt zijn, bijvoorbeeld bij het starten van een koude motor, wanneer de nokkenas al draait voordat er voldoende olie is aangevoerd. Net als bij zuigerpennen zijn de gebruikte materialen erg belangrijk en slechts enkele combinaties werken succesvol. Chris Reed / Remy Wiggers / Geert van Hout (Wordt vervolgd)