הבנת שמני מנוע - חלק 1

 
 

הבנת תפקידם ומרכיביהם של שמני מנוע  - חלק 1
(מאת: סת סומר)

 

הקדמה

מה כבר יש לחדש בתחום שמני מנוע?  כל מי שעוסק בתחום יודע מהו שמן מנוע, מה תפקידו, ממה הוא מורכב ואיך להבחין בין שמן מנוע טוב וראוי לשימוש לבין שמן שאינו כזה.  נשאלת השאלה, האם כל מה שצריך לדעת על שמן מנוע הוא: 40 -15 מתאים למנוע דיזל ו-50 -20 מתאים למנוע בנזין?

   

בשנים האחרונות אנו עדים ליבוא מגוון של שמני מנוע לארצנו הקטנה.  חלקם מחברות מוכרות מחו"ל, חלקם מחברות לא מוכרות,יקרים יותר או פחות.  אז איך בעצם ניתן להבחין בין שמן מנוע המתאים לשימוש במנועים מודרניים מתקדמים לבין אלו הראויים, במקרה הטוב, לשמן ציר של דלת חורקת?  איך ניתן לאמת את ההצהרות של משווק השמן, כפי שמופיעים על גבי תווית האריזה של השמן?

 

מאמר זה מהווה חלק ראשון מתוך סידרת מאמרים בהם אנסה לפרוס בפניכם את סודותיהם של שמני מנוע.  בחלק ראשון זה, אעמוד על המאפיינים העיקריים של שמני מנוע, הרכבם ותכונותיהם העיקריות.  בחלקים הבאים, אסביר על התכונה הפיזיקלית החשובה ביותר של השמן: הצמיגות.  אסקור את התקן דרגות הצמיגות החשוב ביותר, תקן SAE J1304 ואבהיר מהו מדד הצמיגות ומשמעותו. כמו כן, אסביר את השפה הייחודית של שמני מנוע ואת משמעות המפרטים, המספרים והאותיות הרשומים על גבי תוויות, דפי מוצר ותעודות משלוח.  המטרה העיקרית כאן היא לתת כלים להבחין בין שמני מנוע חדישים וראויים לשימוש, ובין שמנים המתאימים לכלי רכב ישנים, אם בכלל.  כמו כן, אדון על שיטות מעבדתיות לבדיקת שמני מנוע כדי לאמת את הצהרות המשווקים. 

תפקידי שמן מנוע

כולם מכירים את תפקידו הבסיסי של שמן מנוע: סיכת החלקים הנעים המנוע ומניעת שחיקתם.
מאידך, נוטים לשכוח שבנוסף לתפקיד חשוב זה, שמן המנוע ממלא תפקידים רבים ומגוונים נוספים בתוך המנוע, כגון: סילוק חום, מניעת חלודה, והעברת כח הידראולי. 

להלן רשימה של עיקרי תפקידים אלו:

סיכה כללית
: סיכה (Lubrication) הנה הפעולה של הפרדת משטחים נעים.  שמן הסיכה חודר למרווח בין חלקים נעים ומהווה חיץ ביניהם.  בכך, השמן מונע את המגע הישיר בין החלקים ומקטין את שחיקתם ובלייתם.

עמידות בפני עומסי עבודה
: עומסים מכניים על גבי חלקי המנוע הנעים גורמים לחומר הסיכה "לברוח" מאזור החיץ.  על אף עומסים אלו, תפקיד שמן הסיכה מחייב הקטנת מגע בין החלקים והקטנת קצבי הבליה שלהם, גם בעומסי עבודה מוגברים ובטמפרטורות עבודה גבוהות.

סילוק חום: כ-60% מהחום הנוצר במנוע בעת פעולתו מסולק על ידי השמן.  השמן מתחמם כשהוא זורם בסמוך לחלקי המנוע החמים (כגון: טבעות הבוכנות), ובכך סופג את החום הנוצר מתהליך השריפה ומהחיכוך בין חלקי המתכת הנעים.  לאחר מכן, השמן חוזר לעוקת השמן ושם מתקרר.  כך מסולק החום, הנפלט למערכת הצינון, או ישירות לסביבה.

ניקיון: תהליך שריפת הדלק במנוע שריפה פנימית מביא להיווצרותם של מזהמים רבים, כגון: פיח, לקות, רפשים, אפר ומשקעים.  חומרים אלו משפיעים לרעה על תפקוד המנוע: הם עלולים לסתום מעברי שמן דקים, לשנות את מקדמי מעבר החום במנוע, להאיץ את שחיקת חלקי המנוע ולפגוע בהספק המנוע.  שמן המנוע משמש כחומר ניקוי המסלק את המזהמים הללו מהאזורים הרגישים במנוע.  בעת החלפת שמן, החומרים והמזהמים האלה מפונים מהמנוע יחד עם השמן המשומש.

נטרול חומצות:חלק מתוצרי השריפה של בנזין וסולר הנן חומצות העלולות לתקוף חלקי מתכת במנוע.  תפקיד השמן לנטרל את החומצות בתוצרי השריפה ולשמר את חלקי המתכת במנוע מפני חלודה וקורוזיה.

איטום: במנוע קיים חופש מסוים בין טבעות הבוכנות לבין דפנות הגלילים (צילינדרים) על מנת לאפשר לבוכנות לנוע בחופשיות בעת פעולת המנוע.  דרך מרווח זה עלול לברוח חלק מגל ההדף שנוצר בעת שריפה הדלק במנוע, יחד עם גזי פליטה.  שמן המנוע ממלא את המרווח הזה, מביא לאטימה טובה יותר בין הטבעות לגלילים ובכך מונע את בריחת ההדף (ואובדן ההספק).  זו רק דוגמא אחת לתפקיד האיטום של שמן המנוע – קיימים גם אזורים אחרים במנוע בהם משמש השמן כחומר איטום.

העברת כח:  שמן המנוע משמש גם כשמן הידראולי בתתי מערכות שונים במנועים מודרניים, כגון: מרימים הידראוליים.  זאת בנוסף לכך ששמן המנוע משמש גם במערכות עזר הידראוליים בכלי רכב שונים, כגון כלי צמ"ה וכלים חקלאיים. 

בנוסף לתפקידים שהוזכרו לעיל על השמנים לפעול תחת משטרי עבודה קשים במיוחד ולתת מענה גם לאתגרים הבאים:

עמידות בתנאי טמפרטורה שונים: קיימים הפרשי טמפרטורות גדולים בתוך מנוע: בעת התנעת המנוע, כל חלקיו קרים, עד כדי טמפרטורת הסביבה (שבחורף יכולה לרדת מתחת לאפס במקומות מסוימים).  לאחר הגעת המנוע לטמפרטורת העבודה, תאי השריפה וראשי הבוכנות יכולים להתחמם עד ל-ºC800 ויותר, ואילו הטמפרטורה בעוקת השמן בדרך כלל אינה עוברת את ה-ºC120.  בחלקי המנוע האחרים, הטמפרטורות נעות בין Cº150 ל-Cº400!  שמן המנוע חייב לתת פתרונות סיכה לכל חלקי המנוע בכל טווח הטמפרטורות הנ"ל.

עמידות בפני התחמצנות:  חום גבוה ונוכחות חמצן ואויר גורמים להתחמצנות מואצת של שמן.  כאשר שמן מחומצן הוא אינו מתפקד, צמיגותו עולה, הוא נהפך סמיך ודביק ועלול לגרום להרס של המנוע. לכן,רצוי שלפני שהשמן מגיע לכדי התחמצנות, לדאוג להחלפתו.  המגמה הכללית בתעשיית המנועים בעולם היא לרווח טיפולים במנועים, כלומר החלפת שמן במרווחי זמן או ק"מ ארוכים יותר ויותר.  עם זאת, על מנת להבטיח תפקוד תקין של השמן, ללא התחמצנות, למשך טווחי החלפה ארוכים, שמן המנוע חייב להפגין עמידות גבוהה בפני התחמצנות.

אחידות: קיימים מעברי שמן דקים רבים במנוע (כגון במסבים).  השמן חייב לשמור על אחידותו, גם לאחר שימוש ממושך, כאשר הוא כבר מכיל מזהמים, משקעים ותוצרי התחמצנות רבים.  הוא חייב להרחיף ולפזר את החומרים הללו באופן שלא ישקעו ולא יסתמו מעברי שמן דקים.

תאימות לחומרים:  חומרי המבנה של מנועים מודרניים הנם רבים: מתכות וסגסוגות רבות, גומיות ואטמים מפולימרים שונים, צבעים וציפויים כימיים ורכיבים אלקטרוניים מתקדמים.  שמן המנוע חייב להיות תואם מבחינה כימית (Chemically Compatible) לכל חומרי המבנה במנוע.  כמו כן, השמן חייב לשמור על תקינות החומרים לאורך זמן, להקטין ככל האפשר תופעות כמו: חלודה, קורוזיה, אֶרוזיה, התפרקות, התנפחות (של אטמים) וקצרים (ברכיבים אלקטרוניים).

מרכיבי שמן המנוע

את המרכיבים של שמני מנוע מודרניים נהוג לחלק לשתי קבוצות עיקריות: (1) שמנים בסיסיים ו- (2) מוספים כימיים.  השמנים הבסיסיים בשמן מנוע מודרני מהווים בערך 70%-80% מסך נפח השמן, ואילו המוספים תורמים עד 30% מהנפח הכולל של שמן המנוע המוגמר.

מבחינה טכנולוגית, מרבית ההתפתחויות בתחום שמני המנוע נעשות דווקא בתחום התוספים.  רוב הפונקציות אותן ממלא השמן מוטלות על התוספים כגון: עמידות בפני עומסי עבודה, נשיאת עומסים ולחצים מוגברים, ניקיון וסילוק מזהמים, נטרול חומציות, שמירה על תכונות השמן בתנאי טמפרטורה קיצוניים ולאורך זמן עבודה, שמירה על תכונות הזרימה של השמן, שיפור עמידות השמן בפני התחמצנות והתיישנות, שמירה על חלקי מתכת בפני חלודה וקורוזיה, וכו'.

הפונקציות ששמן הבסיסי ממלא מועטות יחסית ועיקרן: תכונות זרימה, סיכה (הפרדת משטחים) וסילוק חום.  תכונותיו החשובות של השמן הבסיסי הנן: תכונות זרימה בתנאי טמפרטורה שונים ועמידות בפני התחמצנות והתיישנות (כאמור, ניתן גם לשפר תכונות אלו על ידי השימוש בתוספים המתאימים).  ניתן לומר שמעבר לפונקציות אלו, תפקידו העיקרי של השמן הבסיסי הנו להסיע את המוספים לאתרים השונים במנוע. 

הכינוי "פורמולציה" של שמן מנוע מתייחס לשמן מוגמר בהרכב נתון וקבוע של שמנים בסיסיים ותוספים (סוגים נתונים בריכוזים קבועים).


שמנים בסיסיים

נהוג לחלק את השמנים הבסיסיים לשתי משפחות עיקריות: שמנים מינרלים ושמנים סינתטיים.  משפחת השמנים המינרליים הנם השמנים הבסיסיים המופקים מנפט גלמי, ואילו התואר "שמנים סינתטיים" מתייחס לכל שאר השמנים הבסיסיים (שמנים המופקים מהחי או מהצומח כלולים גם הם לעיתים במשפחת השמנים הסינתטיים, או משויכים לקבוצה נוספת של שמנים הניתנים לפירוק בצורה ביולוגית.  מכל מקום, בשמני מנוע לא נעשה שימוש בשמנים בסיסיים ממשפחה זו, אם כי תוספים מסוימים מבוססים על חומרים אלו).

שמנים בסיסיים מינרליים הנם חלק מהמוצרים המתקבלים מתהליך הזיקוק של הנפט ומהווים כ-0.5-1% מהנפט הגלמי.  לאחר הזיקוק הראשוני, השמנים המינרליים עוברים תהליכי זיכוך שונים.  בהיותם תוצרים של נפט גלמי, הרכבם הכימי של השמנים המינרליים מסובך ולא ניתן להגדרה מדויקת.  כמו כן, שאר תזקיקי הנפט, השמנים והמינרליים מכילים תערובות של מאות אלפי מולקולות כימיות שונות, ממשפחות הפחמימנים (מולקולות המכילות בעיקר פחמן ומימן). לא ניתן להפריד בין המולקולות השונות, ולכן גם לא מעשי לזהותן במדויק או לקבוע את ריכוזן.

לאחרונה, פותחו טכנולוגיות חדישות לייצור שמנים בסיסיים משובחים ממזוט ומשעוות מינרליות (ביניהם תהליכים הקרואים: פיצוח מימני  Hydro-Treating ופירום מימני Hydro-Isomerization). 

בתעשייה מתנהל וויכוח ענייני אם השמנים הבסיסיים הללו הנם "מינרליים" (שמקורם בנפט) או "סינתטיים" (שעברו שינויי מבנה והרכב קיצוניים).  נהוג, לכן, לכנות שמנים אלו: שמנים בסיסיים לא- קונבנציונליים ( UCBO) Unconventional Base Oils.


"שמן סינתטי" הנו שם כללי לקבוצות שונות של כימיקלים.  המשותף לכולם שהמבנה המולקולרי שלהם תוכנן מראש והם מיוצרים בתהליכים כימיים מבוקרים.  כך, ההרכבים הכימיים של השמנים הסינתטיים ידועים (בקווים כלליים) ותכונותיהן הפיזיקליות מוכתבות.

בכל הנוגע לשמני מנוע, נעשה שימוש בעיקר בשתי קבוצות של שמנים סינתטיים: קבוצת הפחמימנים הסינתטיים (הכוללת את תתי-הקבוצות הבאות: PAO, PIO, אלקיל-בנזנים, ואחרים) וקבוצת האסטרים (הכוללת את תתי-הקבוצות הבאות: די-אסטרים, טרי-אסטרים, פולי-אסטרים, וכו').  שמנים סינתטיים מקבוצות אלו מתערבבים עם שמן מינרלי ללא הפרדה, כך שאין מניע או סכנה לערבב בין שמני מנוע מינרליים ושמני מנוע סינתטיים.


היתרונות הבולטים של השמנים הבסיסיים הסינתטיים על פני השמנים הבסיסיים המינרליים הם:

  • אורך חיים: הסינתטיים מתחמצנים ("מתיישנים") בקצב איטי יותר.
  • אחידות בתנאי טמפרטורות קיצוניות: הסינתטיים שומרים על תכונותיהם בטווח טמפרטורות רחב יותר.
  • עמידות בתנאי עבודה קיצוניים: הסינתטיים נותנים פתרונות סיכה בתנאי חום, לחץ ועומס רב יותר.
  • תכונות זרימה: תכונות הזרימה של הסינתטיים נשמרים על טווח רחב יותר של מעטפת עבודה.
  • נדיפות נמוכה: מאופיינים בפחות איבודי שמן בעת עבודה מאומצת.

 


היתרונות הבולטים של השמנים הבסיסיים המינרליים על פני השמנים הבסיסיים הסינתטיים הם:

  • מחיר: כחומר גלם, שמן בסיסי מינרלי עולה בערך ⅓ עד ¼ ממחירו של שמן בסיסי סינתטי.
  • זמינות: שמנים בסיסיים מינראליים מיוצרים בבתי זיקוק רבים ואילו שמנים סינתטיים מיוצרים במפעלים בודדים.

 


על מנת להתגבר על מחירם הגבוה של השמנים הסינתטיים, יצרני שמני מנוע מערבבים בין שמנים מינרליים וסינתטיים ומשווקים שמנים "סינתטיים-חלקיים" ("Part Synthetic").  אין כעת הגדרה מקובלת המתייחסת לאחוז המינימלי של מרכיב סינתטי בתוך שמן סינתטי-חלקי.  יתרה מזאת, אין מניעה חוקית להצהיר על שמן סינתטי-חלקי כ"שמן סינתטי", וזאת בתנאי שלא מצהירים שהשמן הנו "סינתטי מלא" ("Fully Synthetic"). 

אין כיום טכניקות כימיות קונבנציונאליות המאפשרות הפרדה בין המרכיבים המינרליים לבין המרכיבים הסינתטיים בשמן המנוע המוגמר.

כמו כן, אין כיום טכניקות מעבדתיות מוסכמות לקביעת ריכוזם של המרכיבים הסינתטיים בשמן המנוע המוגמר.

כפי שנדון בהמשך, המפרטים המקובלים לשמני מנוע אינם מחייבים שימוש בשמן בסיסי סינתטי או מינרלי, ולרוב אינם מתייחסים כלל למקור השמן הבסיסי.  המפרטים קובעים תכונות פיזיקליות וביצועים: אם יצרן מרכיב שמן מנוע המסוגל לענות לדרישות המפרט, מבחינת התכונות והביצועים הנדרשים, על אף היות השמן מינרלי ולא סינתטי, השמן יקבל את האישורים המתאימים.  המעבר לשמני מנוע סינתטיים, שאנו עדים לו לאחרונה, נובע מאי-יכולתם של שמנים בסיסיים מינרליים לתת מענה לדרישות חלק מהמפרטים החדישים לשמני מנוע, ואיננו נובע מדרישה ספציפית במפרט לשימוש בשמנים סינתטיים.

 

גרסה להדפסה גרסה להדפסה       שליחה לחבר שליחה לחבר