شاخص ویسکوزیته چیست؟ چرا مهمه؟

ویسکوزیته روغن صنعتی و روانکار‌های صنعتی را با توجه به ساختار مولکولی آن از نقطه نظر طول زنجیره هیدروکربن می‌سنجند. هر چه طول زنجیره هیدروکربن بلندتر باشد به علت وجود اصطجاک بین مولکولی برای حرکت مولکول ها، مقدار ویسکوزیته ماده بیشتر می‌باشد.

اهمیت شاخص ویسکوزیته یا VI ، در روانکاری مربوط به تعیین حداقل ضخامت فیلم روغن برای جلوگیری از سایش فلز با فلز می‌باشد.

همانطور که احتمالاً می‌دانید ویسکوزیته با دما رابطه عکس دارد. به عبارت دیگر هرچه دما بالاتر برود میزان ویسکوزیته کاهش می‌یابد و بالعکس. لذا برای منظور سنجش ویسکوزیته یا گرانروی در یک دمای مشخص انجام می‌شود که به صورت قراردادی تعین شده است و در ادامه با آنهـا بیشتر آشنا می‌شویم با روغن سیتی همراه باشید.

تعریف ویسکوزیته به زبان ساده

اگر با یک جمله ساده بخواهیم ویسکوزیته را تعریف کنیم، باید بگوییم که ویسکوزیته معیاری برای اندازه‌گیری مقاومت سیال در برابر جاری شدن است. به عبارتی ویسکوزیته میزان اصطکاک مولکول‌های داخلی سیال در حال حرکت را توصیف می‌کند.

هرچه اصطکاک داخلی مولکول‌ها بیشتر باشد، مقاومت در برابر جاری شدن سیال بیشتر بوده و ویسکوزیته آن سیال نیز بالاتر است؛ اما برعکس هرچه ویسکوزیته سیال کمتر باشد، ترکیب مولکولی سیال مقاومت کمتری در برابر حرکت داشته و اصطکاک کمی ایجاد می‌شود و بنابراین سیال راحت‌تر جریان پیدا خواهد کرد.

ویسکوزیته روغن چیست؟

ویسکوزیته معیاری برای اندازه‌گیری مقاومت روغن‌های روانکاری در برابر جریان است. طبق تئوری روانکاری هیدرودینامیکی (Hydrodynamic Lubrication Theory) می‌توان گفت که هر چه ویسکوزیته روغن بیشتر باشد، ضخامت لایه‌مرزی که محل تماس روغن جاری و سطح را جدا می‌کند، بیشتر می‌شود. مهم‌ترین عاملی که می‌توانیم بگوییم تغییر آن می‌تواند تأثیر زیادی بر ویسکوزیته و گرانروی روغن داشته باشد، دما است.

آشنایی با مفهوم شاخص ویسکوزیته

شاخص ویسکوزیته (viscosity index) که به‌طور خلاصه VI نیز نامیده می‌شود، تأثیر بسیار زیادی بر کیفیت محصول نهایی دارد. درواقع شاخص ویسکوزیته یک کمیت استاندارد است که تغییرات ویسکوزیته سینماتیکی با دما را بررسی می‌کند. هر چه که مقدار شاخص ویسکوزیته اعلامی بیشتر شود، نشان‌دهنده این است که ویسکوزیته تأثیرپذیری کمتری از دما دارد یا به عبارت ساده‌تر، دما تاثیر زیادی بر میزان ویسکوزیته روغن ندارد.

رابطه ویسکوزیته و دمای محیط

ویسکوزیته یا گرانروی بر تولید گرما در یاتاقان ها و بلبرینگ ها ، سیلندرها و اصطکاک داخلی مجموعه دنده های مربوط به روغن و همچنین بر میزان آب بندی روغن و مقدار مصرف روغن تاثیر مستقیم می گذارد.

همان طور که اشاره کردیم ویسکوزیته با دما رابطه عکس دارد . به عبارت دیگر هرچه دما بالاتر برود میزان ویسکوزیته کاهش می یابد و بالعکس . لذا برای منظور سنجش ویسکوزیته یا گرانروی در یک دمای مشخص، آزمایش انجام می شود که به صورت قراردادی این دما از قبل تعیین شده است .

روغن ها با ویسکوزیته های مختلف برای شرایط آب و هوایی مختلف تولید می شوند.

استفاده از روغن با ویسکوزیته بالا در زمستان روانکاری موتور را تا زمان گرم شدن به تاخیر انداخته و در این مدت روغن به تمامی قسمتهای موتور نخواهد رسید .

همچنین استفاده از روغن با ویسکوزیته پایین در تابستان نیز باعث سایش قطعات موتور می گردد .

پس انتخاب ویسکوزیته مناسب برای انواع روغن موتور ، کاملا تابع شرایط آب و هوایی است ، که البته اخیرا وجود روغنهای های چهار فصل (Multi Grade) یا همان چند ویسکوزیته ، نیاز به تغییر روغن ، به نسبت تغییر فصل یا شرایط آب و هوایی را تا حدودی بر طرف نموده است.

روش اندازه گیری شاخص ویسکوزیته

یک روش استاندارد برای اندازه گیری شاخص ویسکوزیته روغن وجود دارد. از مکانیک سیالات می دانیم که سیالات پارافینیک (که روغن خام حاصل از نفت پنسیلوانیا بیشترین تطابق با این تعریف را دارد) کمترین واکنش ویسکوزیته را در برابر حرارت دارند. بنابراین، عدد شاخص ویسکوزیته این روغن صد (VI = 100) فرض می شود.

از سوی دیگر، سیالات نفتنیک (که روغن خام حاصل از نفت استحصالی از خلیج تگزاس بیشترین تطابق را با این تعریف دارد) نیز بیشترین واکنش ویسکوزیته را در برابر تغییرات حرارت داشته و بدین ترتیب شاخص ویسکوزیته آن صفر (VI = 0) است. بدین ترتیب، دو نقطه حداقل و حداکثر برای این شاخص تعیین شده است.

بر این اساس، اگر رفتار حرارتی یک روغن بین دو دمای 40 و 100 درجه سلسیوس به روغن پنسیلواینایی نزدیک بود، شاخص ویسکوزیته آن 100 است. ولی اگر این رفتار به روغن خلیج تگزاس شبیه تر بود، شاخص ویسکوزیته آن به صفر نزدیکتر می شود.

بنابراین، هر چه شاخص گرانروی ویسکوزیته یا VI یک روغن بالاتر باشد، تمایل به حفظ ویسکوزیته آن در بازه های دمایی مختلف و در اثر شوک های حرارتی بیشتر بوده و رفتار حرارتی روغن قابل پیش بینی تر است. پس می توان نتیجه گرفت که شاخص ویسکوزیته بالاتر به معنای کیفیت بهتر آن روغن است.

این بدان معنی است که با همین روش، می توان با دانستن ویسکوزیته یک روغن در دو نقطه دمایی، شاخص ویسکوزیته یک روغن را پیش بینی کرد.

موارد کاربرد شاخص گرانروی ویسکوزیته

موارد زیر می تواند در انتخاب روغنی با ویسکوزیته بالا یا پایین مورد توجه واقع شوند:

الف) شاخص ویسکوزیته بالا برای موارد زیر کاربرد دارد:

• مقدار بهینه ای برای ویسکوزیته روغن معلوم نباشد.
• بارگذاری یا سرعت چرخش یکسان یا یکنواخت نباشد.
• دمای عملکردی متفاوت و متغیر باشد.
• قصد بر بهینه سازی انرژی در بین باشد.
• قصد بر افزایش طول عمر روغن (افزایش بازه تعویض روغن) باشد.
• قصد بر کاهش MTTR  و افزایش MTBF باشد.

ب) شاخص ویسکوزیته پایین در موارد زیر کاربرد دارد:

• بارگذاری و سرعت چرخش معلوم، ثابت و یکنواخت باشد.
• دمای عملکردی تجهیز یکنواخت باشد.
• مقدار بهینه ای برای ویسکوزیته سینماتیک در یک بازه دمایی خاص معلوم بوده و قابل دستیابی باشد.

روغن موتور

همانطور که اشاره شد، روانکاری به عنوان اصلی‌ترین وظیفه روغن موتور خودرو شناخته می‌شود؛ از این‌رو ویسکوزیته و غلظت روغن بر روی عملکرد موتور تاثیر به‌سزایی خواهد داشت. انجمن مهندسی خودرو (Society of Automotive Engineers) برای غلظت روغن موتور استاندارد SAE را در نظر گرفته است. بر اساس این استاندارد گرانروی روغن موتور خودرو در قالب xx W yy بیان می‌شود که معنای هر قسمت به شرح زیر است:

xx: میزان گرانروی روغن موتور در فصل سرما است که این عدد، مضربی از 5 بوده و مابین 0 تا 20 است.

W: در این استاندارد حرف انگلیسی W از کلمه “Winter” به معنی زمستان گرفته شده است.

yy: میزان گرانروی روغن موتور در دمای کارکرد موتور است که این عدد، مضربی از 10 بوده و مابین 20 تا 60 است.

بنابراین با توجه به استاندارد SAE، عدد صفر بیانگر کمترین میزان گرانروی روغن بوده که به راحتی جریان می‌یابد و عدد 60 نشان‌دهنده بالاترین میزان گرانروی روغن بوده که به سختی جریان پیدا می کند. برای مثال در دفترچه راهنمای مشتریان خودرو پژو 206، پژو 206 صندوق‌دار و دنا این شاخص پیشنهادی 10W40 بیان شده است.

از این‌رو اگر در این خودروها از روغن موتور با گرانروی  20W50به جای 10W40 استفاده شود، در فصل زمستان که باید حداقل غلظت روغن در زمان استارت خوردن 10 باشد، 20 خواهد بود که این یعنی روغن موتور سفت بوده و به سختی بین قطعات موتور جریان می‌یابد و روانکاری با مشکل مواجه می‌شود. همچنین در فصل گرم یا پس از کارکرد موتور، روغن با گرانروی 50 سفت‌تر از 40 بوده و غلظت بالای آن سبب کاهش روانکاری قطعات داخلی موتور شده و موتور با اصطکاک بیشتری کار می‌کند که این موضوع هم برای موتور خودرو مناسب نخواهد بود و به مرور زمان سبب صدمات جدی به موتور خودرو می‌شود.

انواع روغن موتور بر اساس استاندارد SAE

به‌طور کلی انواع روغن موتور خودرو بر اساس استاندارد SAE به دو دسته کلی زیر تقسیم می‌شوند:

1-    روغن موتور مالتی گرید (Multi grade)

روغن موتورهای مالتی گرید بر اساس استاندارد SAE به روغن‌هایی گفته می‌شود که با اضافه کردن مواد افزودنی مخصوص دارای دو شاخص گرانروی برای فصل سرد و تابستان به صورت xx W yy هستند.

2-    روغن موتو مونو گرید (Mono grade)

روغن موتور‌های مونو گرید بر اساس استاندارد SAE دارای یک شاخص گرانروی برای تمام فصل‌های سال به صورت SAE yy هستند. این مدل روغن موتورها در خودروهای تولیدی جدید و مدرن کاربرد ندارند؛ زیرا این روغن موتورهای تک درجه با تغییر دما، کارایی خود را از دست می‌دهند. به طور کلی روغن موتورهای مونو گرید با شاخص گرانروی از 0 تا 30 برای فصل‌های سرد و با شاخص گرانروی بین 30 تا 60 برای فصل‌های گرم سال قابل استفاده هستند.

نکات تکمیلی در ارتباط با شاخص گرانروی روغن موتور

روغن موتور وظیفه روانکاری قطعات موتور خودرو را برعهده دارد و آگاهی از شاخص گرانروی SAE روغن موتور برای انتخاب مناسب‌ترین روغن برای خودرو از اهمیت خاصی برخوردار است. در ادامه به نکات تکمیلی در ارتباط با شاخص گرانروی روغن موتور اشاره می‌کنیم:

شاخص گرانروی SAE روغن موتور انتخابی باید دقیقا با شاخص گرانروی درج شده در دفترچه خودرو برابر باشد.

شاخص گرانروی روغن موتور تنها با توجه به دمای محیط تعیین نمی‌شود و مشخصات فنی موتور خودرو از عوامل تعیین‌کننده شاخص گرانروی روغن موتور مناسب خواهد بود؛ از این‌رو ممکن است در یک نوع خودرو بر اساس مدل و سال ساخت هم شاخص گرانروی SAE متفاوتی برای روغن موتور مناسب توصیه شود.

برای خودروهای تولیدی نسل امروزی، معمولا روغن موتور با شاخص‌های گرانروی 5W30 و 10W30 به عنوان مناسب‌ترین گزینه مطرح می‌شوند.