הבנת שמני מנוע - חלק 3

 
 

הבנת תפקידם ומרכיביהם של שמני מנוע  -
חלק 3 (מאת: סת סומר)

 

הקדמה

בחלק 1 ו- 2 של סידרת המאמרים לגבי הבנת שמני מנוע  עמדתי על התפקידים המגוונים של שמני מנוע ופירטתי מהם מרכיביו העיקריים. הסברתי את ההבדל בין שמן מינרלי לסינתטי ומהםהיתרונות והחסרונות של כל אחד. תיארתי, בקווים כלליים, את משפחות התוספים הכימיים המקנים לשמן את ביצועיו.

חלק זה שימש הקדמה כללית לנושא שמני מנוע.  לקוח הניגש לקנות אריזת שמן מנוע אינו יכול לעמוד על מרכיבי השמן בעיקר בגלל שמרבית המרכיבים אינם מפורטים כלל על גבי האריזה.

 

אז איך אפשר להבין את הכתוב על גבי תווית השמן?  מה משמעותם של קודי המספרים והאותיות המצוינים שם?  איזה שמן מתאים לי?  איך אוכל להבטיח שהשמן המוצע לקנייה אכן מתאים למכונית שלי?

כדי לענות על כל השאלות הללו, נצטרך להבין יותר את נושא הצמיגות וכן נושא רמות הביצוע של שמני מנוע.
ב- 2 המאמרים הבאים אסביר על הצמיגות, מהי, מה משפיע עליה ומה היא קובעת. אדון בתקן המקובל ביותר לדרגות צמיגות של שמני מנוע: SAE J300, ומשמעותו.  בנוסף אמליץ על דרגות הצמיגות המתאימות ביותר לשימוש בארץ.
בסוף המאמר השני אף אציג תוויות סימון אופייניות של שמני מנוע ואציין כיצד מסומנת דרגת הצמיגות על גביהן.

דרגות צמיגות

בטרם נרחיב את הדיון על מפרטי הביצוע של שמני מנוע, יש צורך להסביר את התכונה הפיזיקלית החשובה ביותר של שמן: צמיגות. 
צמיגות של חומר מתייחסת לתכונת הזרימה שלו: חומר צמיג, בעל צמיגות גבוהה, זורם בקצב איטי, ואילו חומר דליל, בעל צמיגות נמוכה, זורם מהר יותר.  צמיגות של חומר תלויה בטמפרטורה של החומר בעת הבדיקה.  עבור שמני מנוע, צמיגות השמן יורדת כתוצאה מחימום ועולה בעת קירור.

על מנת ליצור שפת ייחוס משותפת לתחום שמני המנוע, בשנת 1911 אגודת מהנדסי הרכב האמריקאית SAE הגתה תקן לצמיגות לשמני מנוע, כך ניתן להתייחס לדרגת צמיגות של שמן, מבלי לדקדק בערך הפיזיקלי של תכונת הצמיגות.  מאז 1911, התקן 300J של SAE עבר מספר עדכונים.  התקן הנוכחי מגדיר 11 דרגות צמיגות: 6 דרגות חורף (הכוללות את האות W בכינוי) ו-5 דרגות קיץ (ללא W). 

עבור דרגות קיץ, התקן מגדיר תחום צמיגויות ב-100Cº.  כדוגמא, כל שמן שצמיגותו ב-100Cº נופלת בתחום בין 9.3 לבין 12.5 סנטיסטוק (היחידה הפיזיקלית של צמיגות קינמטית) מתאים לדרגת צמיגות 30 SAE.

עבור דרגות החורף, התקן מגדיר 2 דרישות לצמיגות בטמפרטורות נמוכות:

  1. טמפרטורה מקסימלית בה צמיגות השמן מגיעה לערך של 60,000 סנטיפואז (היחידה הפיזיקלית לצמיגות דינמית), שהיא הצמיגות המקסימלית שמשאבת שמן במנוע מסוגלת לשאוב (כאשר הצמיגות עולה על ערך זה, המשאבה אינה מסוגלת לשאוב יותר את השמן).
  2. צמיגות מקסימלית של השמן בטמפרטורת התנעה מינימלית של המנוע (טמפרטורת התנעה הנה הטמפרטורה הנמוכה ביותר בה עדיין השמן מסוגל להעניק לחלקי המנוע סיכה מספקת, כך שניתן להניע את המנוע).  טמפרטורה זו גבוהה ב-10Cº מטמפרטורת השאיבה המינימלית של המשאבה.  הווה אומר שבטמפרטורות הנמוכות מטמפרטורת ההתנעה, על אף שהמשאבה מסוגלת לשאוב את השמן, השמן עדיין צמיג מדי ואינו נותן סיכה מספקת לחלקי המנוע הקריטיים, ולכן לא ניתן להתניע את המנוע.

להלן דרגות הצמיגות העדכניות של SAE:

 
  צמיגות בטמפרטורות נמוכות צמיגות בטמפרטורות גבוהות

דרגת

צמיגות

צמיגות (cP)מקס'

בטמפ'  התנעה( Cº)    

טמפרטורת שאיבה מקס' בה צמיגות השמן 60,000 אינה עוברת את cP

צמיגות  ב-  100ºC  (cSt)

צמיגות ב-Cº150 ובקצב גזירה 
של106s-1 
(cP)

מינ' מקס'
0W 6200 ב-35- 40- -- -- --
5W 6600 ב-30- 35- -- -- --
10W 7000 ב-25- 30- -- -- --
15W 7000 ב-20- 25- -- -- --
20W 9500 ב-15- 20- -- -- --
25W 13000 ב-10- 15- -- -- --
20 -- -- 5.6 9.3> 2.6
30 -- -- 9.3 12.5> 2.9
40   -- -- 12.5 16.3>  2.9   (עבור 0W 5W 10W )
3.7  (עבור 15W 20W 25W )
50 -- -- 16.3 21.9> 3.7
60 -- -- 21.9 26.1> 3.7
 

שמן המתאים לדרישות דרגת צמיגות אחת בלבד מכונה "חד-דרגתי".  שמן המכונה "רב-דרגתי" (למשל: SAE15W40 ) הוא שמן המתאים לדרישותיהן של שתי דרגות שונות (40 SAE וגם W15 SAE). שמן רב-דרגתי תמיד משלב דרגת חורף אחת ודרגת קיץ אחת (לא ניתן לשלב 2 דרגות חורף או קיץ).  לכן, לא קיימות דרגות הצמיגות 50 -20 או 40- 15, אלא 20W50 ו-SAE15W40 .

דוגמא לשמן רב-דרגתי: שמן שצמיגותו ב-100Cº הנה cSt 14.5, מתאים לדרישות דרגת צמיגות 40 SAE.  עתה, אם נמדוד את צמיגות השמן הזה ב-20Cº-, ונמצא שצמיגותו הנה פחות מ- 7000, וכמו כן, נמצא שצמיגותו ב-25Cº- הנה פחות מ- cP  60,000, השמן מתאים גם לדרישות דרגת צמיגות W15 SAE.  שמן זה מכונה "רב-דרגתי" ומתאים לדרגת צמיגות SAE 15W40. 

על מנת לייצר שמנים רב-דרגתיים, היצרן מתחיל עם שמן בסיסי דליל, כגון שמן SAE15W , ומכניס מוסף פולימרי ממשפחת משפרי מדד צמיגות.  תוסף זה גורם להצמגה יחסית של השמן בעת חימום. 

עבור שמנים רב-דרגתיים, התקן מגדיר דרישת צמיגות בטמפרטורה גבוהה של 150Cº ובקצב גזירה מהיר של       s-1 106.

בנוסף לתקן הנ"ל של SAE, תקן 2270-D ASTM מגדיר תכונה נוספת המכונה: "מדד הצמיגות".  המדד הנו מספר השוואתי המבטא את מידה בה משתנה צמיגותו של שמן כתוצאה משינויי טמפרטורה: צמיגותו של שמן בעל מדד צמיגות נמוך מושפעת מאד משינויי טמפרטורה, ואילו צמיגותו של שמן בעל מדד צמיגות גבוה מושפעת פחות משינויי טמפרטורה.  שמנים חד-דרגתיים הנם בעלי מדד צמיגות נמוך, יחסית (90 – 100), ואילו מדד הצמיגות של שמנים רב-דרגתיים ישנו גבוה (125 – 160 ויותר, בתאם לדרגת הצמיגות).  מרבית השמנים הבסיסיים הלא קונבנציונליים הנם בעלי מדד צמיגות גבוה באופן טבעי (גם ללא תוסף משפר מדד צמיגות).

יש לזכור!  דרגת צמיגות איננה מגדירה כלל את ביצועיי השמן או את התאמתו לשימוש במנוע זה או אחר!  כלומר, שמן 15W40 איננו מדד לטיב השמן, או להתאמתו למנועים אלו או אחרים!!  15W40 מבטא אך ורק את צמיגות השמן ותכונות הזרימה שלו.

טיב שמן מנוע והתאמתו לדרישות טכניות של מנועי דיזל או מנועי בנזין נקבע על פי רמות הביצוע בהן עומד השמן.

 

מפרטים של שמני מנוע

שמני מנוע נבחנים על פי יכולתם לבצע את תפקידיהם המגוונים, ולא על פי הרכבם הכימי.  התאמת שמן ליישום במנוע נבדקת, בעיקר, באמצעות מבחני ביצוע, ולא על ידי בדיקת מרכיבי השמן הסינתטיים, המינרליים, החומציים או הבסיסיים.

הדרישות משמני מנוע מוגדרים במפרטי שמנים, ומתחלקות ל-4 קבוצות עיקריות:

תכונות כימיות/פיזיקליות -  בדיקות לקביעת תכונותיו הכימיות והפיזיקליות של השמן, כגון: צמיגות, תכונות זרימה, בסיסיות כללית וחומציות כללית.
מבחני הדמיה מעבדתיים -  בדיקות אשר מדמות תנאי עבודה בעייתיים שיכולים לשרור במנוע ואשר קובעות את יכולתו של השמן לתת פתרון מתאים, כגון: נטייה להקצפה, השפעה על גומיות וקצב התנדפות.
מבחני מנוע -  אלו מבחני הביצוע העיקריים על פיהם נבדקת יכולתו של השמן לתת מענה הולם למכלול תפקידי השמן במנוע.  המבחנים  מורכבים ממנועים סטנדרטיים המופעלים על גבי דינמומטר בתוך מעבדה, בתנאי סביבה ומשטרי עבודה מוכתבים.  לפני כל בדיקה, המנוע עובר שיפוץ מלא, ומוחלפים בו כל חלקי המנוע אשר עלולים להיות מושפעים מביצועיי השמן (כגון: טבעות בוכנה, שרוולי גלילים, מסבים וכו').  במהלך הרצת המנוע, מבוצע מעקב אחר ביצועיי המנוע.  בסוף הבדיקה, המנוע מפורק וחלקיו מדורגים על פי אמות מידה מקצועיים מקובלים לקביעת רמת שחיקה ובלאי, ניקיון ונוכחות חלודה וקורוזיה. כמו כן, נבדקים השינויים שחלו בתכונות הכימיות/פיזיקליות של השמן במהלך המבחן.
שמן מנוע מודרני טיפוסי חייב לעמוד בהצלחה ביותר מ-10 מבחני מנוע שונים.  המבחנים השונים נבדלים בסוגי המנועים, בטכנולוגיות השונות בהם, בתנאי סביבה (קיץ, חורף) ובמשטרי עבודה (עומס גבוה, עומס נמוך, נסיעות קצרות, נסיעות ארוכות וכו').  עלות כל מבחן הנה בסדר גודל של עשרות אלפי דולרים.  משך זמן ביצוע של מבחן מנוע טיפוסי אחד נע בין חודש לחודשיים.
ניסויי שדה -  אלו בדיקות מעשיות, בהם מיושם השמן בצי כלי רכב הנוסע בתנאי עבודה אמיתיים.  בסוף הניסוי (אשר בדרך כלל אורך מאות אלפי קילומטרים וחודשים ארוכים), נבדקים ביצועי המנוע, בלאי וניקיון חלקי המנוע ותכונות השמן. 

מפרטי הביצועים המקובלים לשמני מנוע מוכתבים בעיקר על ידי שני איגודים מקצועיים:

API - מכון הנפט האמריקאי, בשיתוף מכון התקינה ובחינה האמריקאי ASTM, אגודת מהנדסי הרכב SAE, איגוד יצרני הרכב האמריקאי AAM ואיגוד יצרני הרכב היפני JAMA, קובעים את מפרטי הביצוע עבור שמנים למנועים בארה"ב.  יצרני המנועים האמריקאיים הגדולים חברים באיגוד הנ"ל (GM, פורד, דימלר-קריזלר, קמינס, מאק, קטרפילר ואחרים), וכן מרבית היצרנים היפניים.  בנוסף, ה-AAM וה-JAMA הקימו יחד את ILSAC, גוף הקובע דרישות נוספות לשמנים למנועי כלי רכב פרטיים (המשלימות את דרישות הביצוע במפרטים של ה-API).

ACEA - איגוד יצרני כלי רכב אירופאיים, בשיתוף המועצה האירופאית המתאמת CEC, איגוד יצרני השמנים האירופאי ATIEL והוועדה הטכנית של יצרני המוספים האירופאיים ATC, קובעים את מפרטי הביצוע עבור שמנים למנועים אירופאיים.  מרבית יצרני המנועים האירופאיים חברים באיגוד הזה.

בנוסף לגופים הללו, יצרני מנועים מסוימים (בעיקר יצרנים אירופאיים) מפרסמים מפרטים מחייבים לשמנים עבור המנועים שהם מייצרים.  כמו כן, צבאות שונים, ובראשם צבא ארה"ב, מפרסמים מפרטים למנועים שבשימושם.

כאמור, במפרטים המקובלים לשמני מנוע, יש התייחסות מוגבלת בלבד להרכב הכימי של השמן: מגבלה על ריכוז הזרחן בשמן ועל כמות האפר בשמן (האפר הנו החומר האנאורגני בשמן שאיננו נשרף ב-800Cº).  כל שאר הדרישות במפרטים הנן דרישות פיזיקליות ודרישות ביצועיות.

מפרטי ביצוע אמריקאיים של API ושל ILSAC

מפרטי הביצוע המקובלים ביותר בתחום שמני המנוע הנם מפרטי API.  מפרטים אלו מסווגים את השמן ל-3 קבוצות:

  1. שמנים למנועי בנזין.
  2. שמנים למנועי דיזל הפועלים במחזור של 4 פעימות.
  3. שמנים למנועי דיזל הפועלים במחזור של 2 פעימות.

הכינוי של כל מפרט ביצוע של API כולל 2 אותיות, ועבור חלק מהמפרטים, הכינוי כולל גם סיפרה:

  1. המפרטים עבור שמנים למנועי בנזין מתחילים באות S.
  2. המפרטים עבור שמנים למנועי דיזל מתחילים באות C, כאשר:
    א. מפרטים למנועים הפועלים במחזור של 4 פעימות מסתיימים בספרה 4.
    ב. מפרטים למנועים הפועלים במחזור של 2 פעימות מסתיימים בספרה 2.
    ג. מפרטים למנועי ציוד עפר (הפועלים בעיקר בדרכים לא-סלולות) אינם כוללים סיפרה.

האות השנייה בכינוי המפרט מצביעה על מהדורת המפרט: המפרט SA הנו הגרסה הראשונה של המפרט לשמנים למנועי בנזין, הגרסה השנייה היתה SB, אחריה SC וכן הלאה.  המפרט העדכני לשמנים למנועי בנזין הנו SL, לשמנים למנועי דיזל הפועלים במחזור של 4 פעימות הנו CI-4, לשמים למנועי דיזל הפועלים במחזור של 2 פעימות הנו CF-2, ולשמנים מנועי ציוד עפר הנו CF.  על פי שיטת המפרטים של API, גרסה חדשה של מפרט מחליפה ובאה במקום כל הגרסאות הקודמות של המפרט (כלומר, SL מחליף ובא במקומם של SJ, SH, SG, SF וכו'). 

עדכון גרסת מפרט משמע עדכון בדרישות הביצוע של השמן, כפי שמתבטא במבחני מנוע: מבחנים חדשים ו/או מנועים חדשים ו/או תנאי בדיקה שונים ו/או קריטריונים להצלחה שונים.

בנוסף למפרט הביצוע הבסיסי של API, ILSAC, הוועדה הטכנית המשותפת שהקימו איגוד יצרני המכוניות האמריקאי AAM והיפני JAMA מוסיף דרישות פיזיקליות וביצועיות משלימות במפרט המכונה GF-3, כגון:

  • יכולת השמן להביא לחיסכון באנרגיה (כלומר, לירידה בצריכת דלק) בהשוואה לשמן ייחוס.
  •  נטיית השמן ליצירת משקעים ושרפים בטמפרטורה גבוהה.
  • נטיית השמן לעובר ג'ליפיקציה (וליצור משקעים דמויי ג'לי בשמן).
  • נדיפות השמן (איבוד חומר ב- 250Cº וב-371Cº) .
  • נטיית השמן לסתימת מסננים.
  • נטיית השמן להקצפה.
  • נקודת הבזקה (טמפרטורת הצתה) של השמן.
  • ריכוז כלל הזרחן בשמן.

רק שמנים רב דרגתיים XX-W0, XX-W5, XX-W10, יכולים לקבל אישור למפרט 3-GF, ורק שמנים המביאים לחיסכון באנרגיה.


מפרטי ביצוע אירופאיים של ACEA

מפרטי הביצוע האירופאיים של ACEA, אשר החליפו את מפרטי CCMC הישנים בשנת 1996, גם כן מסווגים את שמני המנוע ל-3 קבוצות (אך שונות מהסווגים של API):

  1. שמנים למנועי בנזין.
  2. שמנים למנועי דיזל המותקנים במכוניות פרטיות (עד גודל של ואן).
  3. שמנים למנועי דיזל כבדים (של משאיות, אוטובוסים וכדומה).

הכינוי של כל מפרט ביצוע של ACEA כולל אות, מספר ושנת העדכון. כל המפרטים לשמנים למנועי בנזין מתחילים באות A, למנועי דיזל קלים באות B ולמנועי דיזל כבדים באות E.  המספר של המפרט מצביע על משטר העבודה  בה עובד המנוע עבורו מיועד השמן, כלהלן:

1A - שמנים חוסכי אנרגיה בעלי צמיגות נמוכה המיועדים לשימוש אך ורק במנועי בנזין המותאמים לשימוש בשמנים אלו.

2A - רמת ביצוע סטנדרטית לשמנים המיועדים לשימוש במרבית מנועי הבנזין הפועלים במשטרי עבודה מקובלים (ולא קיצוניים).

3A - שמנים בעלי רמת ביצועים גבוהה המיועדים לשימוש במנועי בנזין בעלי הספקים גבוהים (כגון: מכוניות ספורט), ו/או לטווחי החלפת שמן ארוכים, ו/או למנועי בנזין הפועלים במשטרי עבודה קיצוניים.

4A - שמנים המיועדים לשימוש במנועי בנזין עם הזרקה ישירה (מפרט זה עדיין נמצא בתהליכי כתיבה).

5A - שמנים חוסכי אנרגיה לשימוש במנועי בנזין בעלי הספקים גבוהים (כגון: מכוניות ספורט), ולטווחי החלפת שמן ארוכים.

1B - שמנים חוסכי אנרגיה בעלי צמיגות נמוכה המיועדים לשימוש אך ורק במנועי דיזל קלים (מכוניות, ואנים וטנדרים, ללא הזרקה ישירה) המותאמים לשימוש בשמנים אלו.

2B - רמת ביצוע סטנדרטית לשמנים המיועדים לשימוש במרבית מנועי הדיזל הקלים הפועלים במשטרי עבודה מקובלים (ולא קשים).

3B - שמנים בעלי רמת ביצועים גבוהה המיועדים לשימוש במנועי דיזל קלים בעלי הספקים גבוהים, ו/או לטווחי החלפת שמן ארוכים,  ו/או למנועים הפועלים במשטרי עבודה קשים.

4B - שמנים המיועדים לשימוש במנועי דיזל קלים עם הזרקה ישירה.

5B - שמנים חוסכי אנרגיה לשימוש במנועי דיזל קלים בעלי הספקים גבוהים, ולטווחי החלפת שמן ארוכים.

2E - רמת ביצוע סטנדרטית של שמנים המיועדים לשימוש במרבית מנועי הדיזל הכבדים, בעלי אוורור טבעי או מגדש טורבו, הפועלים במשטרי עבודה בינוניים עד קשים וטווחי החלפת שמן רגילים.

3E - שמנים בעלי רמת ביצועים גבוהה המיועדים לשימוש במנועי דיזל כבדים המתאימים לתקני הפליטות האירופאיים 1 Euro ו-2 Euro הפועלים במשטרי עבודה בינוניים עד קשים ולטווחי החלפת שמן ארוכים.

4E - שמנים בעלי רמת ביצועים גבוהה המיועדים לשימוש במנועי דיזל כבדים המתאימים לתקני הפליטות האירופאיים 1 Euro, 2 Euro ו- 3 Euro הפועלים במשטרי עבודה קשים במיוחד ולטווחי החלפת שמן ארוכים.

5E - שמנים בעלי רמת ביצועים גבוהה המיועדים לשימוש במנועי דיזל כבדים המתאימים לתקני הפליטות האירופאיים 1 Euro, 2 Euro ו- 3 Euro הפועלים במשטרי עבודה קשים במיוחד ולטווחי החלפת שמן ארוכים במיוחד (בכפוף להמלצת היצרן).


על פי שיטת המפרטים של ACEA, תקן אחד בסדרה מסוימת (A, B, E) אינו מחליף תקן אחר (כלומר, שמן ברמת 3A איננו מחליף שמן ברמת 2A).  גרסאות חדשות של המפרטים מסומנות על ידי שנת העדכון בסיום שמן המפרט (כגון: 01- 1A, 98- 3B ו- 02- 5E). גרסה חדשה של מפרט מחליפה ובאה במקום כל הגרסאות הקודמות של אותו מפרט.  כל עדכון של גרסת מפרט כולל מבחני מנוע מעודכנים: מבחנים חדשים ו/או מנועים חדשים ו/או תנאי בדיקה שונים ו/או תנאי מעבר שונים. 

המפרטים של ACEA כוללים מבחני מנוע, מבחני הדמיה ודרישות כימיות פיזיקליות ( אין מפרטים משלימים כמו ILSAC בארה"ב). מבחני המנוע הנהוגיםבמפרטי ACEA שונים בדרך כלל ממבחני המנוע במפרטי API, ומבוססים לרוב על מנועים אירופאים. לא תמיד קיימת חפיפהבין הדרישות האירופאיות לדרישות האמריקאיות. מבחינת דרגת צמיגות, המפרטים האירופאיים מסתמכים על דרגות צמיגות של SAE.


 

 

גרסה להדפסה גרסה להדפסה       שליחה לחבר שליחה לחבר