Oli motore

Come si è già accennato, all’olio motore sono affidate varie importanti funzioni.

Esse possono essere così riassunte:

— Formare in qualsiasi condizione di esercizio un adeguato strato lubrificante sui vari accoppiamenti meccanici in movimento relativo, allo scopo di limitare al massimo resistenza di attrito e l’usura delle superfici a contatto.

— Assicurare la pulizia del motore prevenendo la formazione di depositi.

— Proteggere le parti del motore dalla formazione di ruggine e dall’attacco chimico di prodotti acidi derivanti dalla combustione.

— Collaborare con le fasce elastiche alla tenuta tra pistone e camicia, in modo da impedire, per quanto possibile, perdite di potenza.

— Integrare il sistema di raffreddamento del motore, in modo da mantenere la temperatura entro quei limiti che ne assicurano il buon funzionamento.

Data la varietà delle funzioni che devono svolgere è necessario che gli oli siano formulati in modo da possedere determinate caratteristiche e proprietà. Esamineremo qui di seguito le più importanti.

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Viscosità

La viscosità è la caratteristica che riveste importanza primaria nella lubrificazione dei motori; essa deve essere contenuta entro opportuni limiti. Un olio troppo viscoso creerebbe problemi notevolissimi, specialmente alle basse temperature, nei riguardi dell’avviamento del motore e della circolazione dell’olio nelle canalizzazioni del circuito di lubrificazione. Infatti il tempo che impiega l’olio a raggiungere tutti i punti da lubrificare dipende essenzialmente dalla viscosità dell’olio stesso alla temperatura d’avviamento.

Quanto maggior è tale viscosità, tanto più lentamente l’olio entra in circolazione; ciò comporta evidentemente maggiori usure.

È però necessario che un olio per motori abbia una viscosità sufficiente alle alte temperature, tipiche del normale funzionamento a regime: infatti, qualora la viscosità fosse troppa bassa, il velo lubrificante si potrebbe interrompere provocando in un primo tempo sensibili usure e successivamente grippaggio o fusione negli accoppiamenti meccanici più delicati (perno-bronzina, pistone-camicia, ecc.).

Bisogna tenere presente infine che la viscosità influisce sul consumo d’olio e sulle perdite di potenza. Più fluido è l’olio, minori sono le perdite di potenza per attrito interno del lubrificante e maggiore è l’asportazione di calore.

Il legame tra viscosità e consumo d’olio è invece più complesso; infatti, mentre la quantità d’olio che viene aspirata nelle camere di combustione attraverso le guide delle valvole diminuisce all’aumentare della viscosità, il consumo attraverso l’accoppiamento pistone-cilindro può essere influenzato da una maggiore viscosità in modo positivo o negativo a seconda della struttura del motore e delle condizioni di esercizio.

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Indice di viscosità

La viscosità di un lubrificante aumenta al diminuire della temperatura e viceversa. Le variazioni di viscosità, sempre di entità rilevante nell’intervallo di temperatura che si riscontra nei motori, differiscono per i vari tipi di olio e sono misurate mediante una grandezza appositamente definita, denominata indice di viscosità.

L’indice di viscosità assume valori tanto più alti quanto minori sono le variazioni di viscosità al variare della temperatura.

Da quanto esposto nel paragrafo precedente risulta che le variazioni di viscosità devono essere mantenute entro i limiti più ristretti; ciò ha condotto alla formulazione di oli motore con indice di viscosità sempre più elevato. Per ottenere l’aumento dell’indice di viscosità si è ricorso in un primo tempo alla scelta di particolari grezzi e di opportuni processi di raffinazione ed in un secondo tempo alla aggiunta di appositi additivi (Viscosity Index Improvers).

Questi sono costituiti da polimeri come i polimetacrilati, polisobutileni, copolimeri etilene-propilene, copolimeri sti-rolo-butadiene, ecc.

L’azione di tali additivi è tanto maggiore quanto maggiore è il loro peso molecolare e ciò è spiegabile con le variazioni di forma che subiscono le loro molecole al variare della temperatura.

All’aumentare della temperatura queste molecole aumentano di volume ed inglobano una maggiore quantità di olio ostacolandone lo scorrimento. Viene così parzialmente compensata la diminuzione di viscosità dell’olio in cui sono disperse.

Alle basse temperature, invece, le molecole assumono una forma compatta con volume minimo ed influenzano in misura più limitata la viscosità dell’olio base. Con il crescere del peso molecolare diminuisce però la resistenza al taglio di queste molecole polimeriche che, spezzandosi, perdono parzialmente la loro efficacia. Occorre perciò bilanciare opportunamente le loro dimensioni in modo da non avere una eccessiva riduzione di viscosità durante l’esercizio.

Alcuni di questi additivi esercitano anche azioni complementari in quanto contribuiscono ad abbassare il punto di scorrimento e ad aumentare il potere disperdente del lubrificante. Queste proprietà verranno trattate più dettagliatamente in seguito.

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Punto di scorrimento

II punto di scorrimento è la più bassa temperatura alla quale l’olio possiede ancora la capacità di scorrere.

È importantissimo che il punto di scorrimento di un lubrificante sia sempre inferiore alla temperatura minima ambiente. Se ciò non accadesse l’olio sarebbe praticamente congelato nella coppa e nelle tubazioni per cui non potrebbe entrare in circolazione e giungere a lubrificare organi. Tra l’altro, dato che anche l’eventuale film di olio rimasto sulle superfici dei cilindri e degli altri organi si troverebbe allo stato solido, l’attrito da vincere sarebbe molto maggiore e notevolissimo l’assorbimento di energia richiesto per l’avviamento. Poiché il punto di scorrimento degli oli minerali attualmente impiegati nei lubrificanti per motore dipende principalmente dalla grandezza dei cristalli di paraffina che si formano in seguito al raffreddamento, per abbassarlo vengono aggiunti speciali additivi (Pour Point Depressants) i quali creano intorno ai primi cristalli formatisi una sorta di rivestimento che ne rende molto difficile l’accrescimento. Gli additivi Pour Point Depressants più impiegati sono costituiti da polimetacrilati di peso molecolare più basso di quelli che si adoperano come Viscosity Index Improvers.

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Volatilità

Gli oli minerali sono costituiti da diverse frazioni di idrocarburi con differente peso molecolare; le più leggere, che sono anche le più fluide, evaporano più facilmente di quelle più pesanti.

La presenza di frazioni molto leggere in un lubrificante comporta una maggiore evaporazione e di conseguenza elevati consumi di olio, aumento di viscosità del lubrificante, in quanto costituito dalle frazioni pesanti non evaporate e formazione di lacche e di depositi carboniosi dovuti alla decomposizione dei vapori di olio sulle parti più calde del motore.

Per limitare il più possibile questo fenomeno è necessario che le frazioni di idrocarburi contenute in un olio motore distillino in un intervallo di temperatura molto ristretto cioè che le loro volatilità siano il più possibile vicine. Ciò è particolarmente importante per gli oli più fluidi che sono quelli che presentano la maggiore volatilità. Tali considerazioni sono valide soprattutto per gli oli multigradi i quali sono ottenuti miscelando oli base fluidi, e di conseguenza molto volatili, con additivi che aumentano l’indice di viscosità.

Per tale motivo negli oli multigradi si può ridurre notevolmente la volatilità sostituendo la parte più fluida, e quindi più volatile, dell’olio minerale con una opportuna percentuale di olio di sintesi avente volatilità molto più bassa rispetto agli olio minerali di pari viscosità.

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Stabilità all’ossidazione

Tutti gli idrocarburi possono reagire con l’ossigeno quando sono esposti all’aria a temperature elevate e per un periodo di tempo sufficientemente lungo. Nel caso dei lubrificanti la tendenza all’ossidazione è più o meno pronunciata a seconda della costituzione dell’olio, della temperatura a cui opera e dei tipi di metalli con i quali si trova a contatto.

Questi ultimi, infatti, agendo da catalizzatori, possono accelerare i processi di ossidazione.

L’ossidazione dell’olio ha luogo per fasi successive:

inizialmente si formano dei perossidi organici che, oltre ad essere importanti agenti corrosivi per alcuni tipi di metalli dei cuscinetti, agiscono quali promotori di ulteriori reazioni di ossidazione nella restante massa di lubrificante; si arriva così alla formazione di prodotti complessi acidi e corrosivi, di morchie e di prodotti insolubili, nonché all’aumento della viscosità dell’olio.

Per limitare la formazione di prodotti ossidati, oltre ad una accurata scelta delle basi, vengono aggiunti all’olio opportuni additivi.

Tali additivi, detti inibitori di ossidazione, rallentano sensibilmente il processo ossidativo decomponendo i perossidi organici formatisi e trasformandoli in prodotti del tutto inerti. Alcuni additivi antiossidanti, inoltre, hanno efficacia anche nel proteggere i cuscinetti dalla corrosione, formando sulle superfici metalliche un film protettivo.

Gli additivi antiossidanti più comuni sono:

— solfofenati organici

— composti fendici

— composti organici solfo-fosforizzati.

Negli oli motore vengono prevalentemente impiegati gli

additivi dell’ultimo tipo.

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Detergenza e disperdenza

La progettazione del motore, le prestazioni che deve fornire, le sue condizioni di utilizzazione e di manutenzione, il carburante o il combustibile e l’olio lubrificante sono i fattori principali che influiscono sull’entità dei depositi che si formano all’interno dei motori.

La natura dei depositi dipende in primo luogo dalla temperatura delle superfici metalliche sulle quali si formano. Si può quindi procedere alla distinzione qui di seguito riportata.

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Essi si formano sulle superfici che si trovano a temperature comprese all’incirca tra 300°C e 150°C, cioè nelle gole dei pistoni, sui mantelli dei pistoni ed anche sulle valvole di ammissione.

Vediamoli separatamente.

— I depositi che si formano a causa dell’elevata temperatura del fondo delle gole dei pistoni possono condurre all’incollamento delle fasce elastiche. È generalmente accettato che la loro formazione prenda inizio dai prodotti organici solubili e insolubili risultanti dalla ossidazione dell’olio. Essi, raccogliendosi sulle superfici della zona di segmentazione, danno luogo alla formazione di lacche ed inoltre, agendo come leganti delle particelle carboniose derivanti dalla combustione, provocano la formazione, nelle gole, di un deposito solido vero e proprio, chiamato carbone. Nei motori a benzina può contribuire, talvolta in larga misura, alla formazione di questi depositi il piombo presente negli additivi antidetonanti del carburante. Nei motori Diesel i depositi sono in genere più duri e talvolta anche abrasivi: ciò è dovuto alle temperature sul fondo delle gole che sono più elevate di quelle dei motori a benzina, alle condizioni di combustione che tendono a formare nerofumo ed al tenore di zolfo del combustibile che è molto superiore a quello delle benzine.

— Sui mantelli dei pistoni la formazione dei depositi si caratterizza per la presenza di un rivestimento compatto di spessore molto ridotto, chiamato vernice, il cui colore passa dal giallo al marrone e al nero.

Tale differenza di colorazione dipende fondamentalmente dalle temperature locali. Queste vernici, assimilabili ad uno strato di sostanza plastica, sono formate dai prodotti ossidati fortemente acidi provenienti dall'alterazione del lubrificante, del carburante o del combustibile. Esse non danno luogo ad alcuna conseguenza negativa, tuttavia sono un indice della degradazione dell'olio e della presenza di depositi nelle gole dei segmenti.

— Sulle valvole di aspirazione si producono depositi causati fondamentalmente dall'olio che lubrifica l'accoppiamento guida-stelo, dal carburante contenuto nella miscela aria-benzina e dai gas di trafilamento riciclati. La presenza di questi depositi può provocare la chiusura imperfetta delle valvole di aspirazione.

La formazione di questi tré tipi di depositi, è favorita dalle notevoli sollecitazioni termiche tipiche dei lunghi viaggi in autostrada ad elevata velocità, in quanto proprio tali condizioni sono la causa primaria dei fenomeni di ossidazione e di degradazione dell'olio.

La formazione di questi tre tipi di depositi, è favorita dalle notevoli sollecitazioni termiche tipiche dei lunghi viaggi in autostrada ad elevata velocità, in quanto proprio tali condizioni sono la causa primaria dei fenomeni di ossidazione e di degradazione dell’olio.

Essi si formano su organi che si trovano a temperatura relativamente bassa cioè sui coperchi delle punterie e della distribuzione, sulle pareti del carter dell’olio, nei filtri dell’olio, nel filtro di aspirazione della pompa dell’olio, nei canali di lubrificazione dell’albero a gomiti, ecc.

Questo tipo di deposito, chiamato correntemente morchia, è una miscela di particene carboniose, olio parzialmente ossidato, frazioni non combuste del carburante e del combustibile, prodotti di combustione del piombo tetraetile (nei motori a benzina), particelle metalliche, polveri atmosferiche ed acqua in percentuali più o meno elevate.

Le condizioni di funzionamento del motore descritte in modo espressivo come servizio stop and go oppure porta a porta sono la causa principale della formazione di morchie. Tali condizioni sono tipiche dei percorsi in città compiuti con soste frequenti e prolungate per cui la temperatura del motore, e quindi dell’olio, rimane quasi costantemente bassa. Ciò provoca, particolarmente nella stagione invernale, una formazione eccessiva di condensa, la quale, miscelandosi con i prodotti della combustione, con le frazioni non ossidate del carburante e con gli altri inquinanti, favorisce la formazione delle morchie.

Altri fattori che influenzano la formazione di morchie sono la configurazione del motore, gli intervalli più o meno lunghi di sostituzione della carica di olio, il tipo di carburante o combustibile ed infine il tipo di lubrificante impiegato.

La presenza di morchie può portare all’ostruzione dei filtri e

delle canalizzazioni di lubrificazione con conseguente diminuzione o anche arresto del flusso di olio ai diversi organi.

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Viste le cause che producono i depositi, la loro costituzione e le conseguenze dovute alla loro presenza, esamineremo da vicino come gli oli lubrificanti possono opporsi alla loro formazione o almeno ridurne la entità.

La proprietà di opporsi alla formazione di depositi, presente in modesta misura negli oli minerali puri, è impartita da speciali additivi chiamati generalmente detergenti-disperdenti; attualmente, salvo rare eccezioni, tutti i lubrificanti per motori in commercio ne contengono una certa quantità e possiedono di conseguenza un certo livello di detergenza-disperdenza. Gli additivi detergenti-disperdenti si suddividono in due grandi classi:

— additivi a base organometallica

— additivi non contenenti metalli.

Gli additivi del primo tipo sono dei sali di acidi organici con metalli alcalino terrosi (calcio, bario, magnesio). La parte organica è solubile nell’olio e la parte funzionale contenente i metalli esplica l’azione detergente-disperdente. I più comuni sono i solfonati, i fenati, i solfofenati, i fosfonati. Gli additivi del secondo tipo sono costituiti da polimeri e non contengono metalli. L’azione detergente-disperdente è esplicata da gruppi polari contenenti generalmente azoto. Appartengono a questa categoria le polialchenilsuccinimmidi ed i polimetacrilati. Essi sono anche chiamati additivi senza ceneri in quanto dopo la loro combustione non lasciano alcun residuo.

Si deve osservare che la dizione detergente finora usata non è del tutto esatta quando viene associata all’idea di un’azione di pulizia di superfici incrostate: in realtà l’azione degli oli detergenti normalmente non si esplica con la asportazione dei depositi già formati, ma con una funzione preventiva che impedisce la formazione delle incrostazioni, mantenendo in fine sospensione le materie solide o semisolide che si accumulano progressivamente nella massa dell’olio durante il funzionamento del motore.

Per tale ragione sarebbe preferibile impiegare solo II termine disperdente e parlare dunque di disperdenza ad alta ed a bassa temperatura.

Gli additivi detergenti-disperdenti, data la forte polarità delle loro molecole, vengono adsorbiti sulle superfici dei prodotti inquinanti e, circondandoli, li tengono dispersi sotto forma colloidale e ne impediscono l’agglomerazione. L’esperienza ha dimostrato che gli additivi organometallici esercitano in modo eccellente la loro funzione solo quando le temperature sono alte: sono meno efficaci quando si trovano ad operare a bassa temperatura. Gli additivi senza ceneri invece si comportano in modo diametralmente opposto: sono più efficienti a bassa temperatura che ad alta.

Affinchè un lubrificante per motori possieda una buona disperdenza a bassa e ad alta temperatura, deve dunque contenere sia l’uno che l’altro tipo di additivi; ciò in effetti è quello che si fa normalmente, sia per i lubrificanti per motori ad accensione a scintilla che per quelli destinati ai

Potere antiusura

Come si è detto, una delle funzioni principali del lubrificante è quella di evitare l’usura dei vari organi del motore.

Su quegli organi, come ad esempio i cuscinetti, dove a regime si instaurano condizioni di lubrificazione idrodinamica, non sussistono problemi di usura, quando la viscosità dell’olio è appropriata, in quanto lo spessore del cuneo di lubrificazione è sufficiente a mantenere separate le superfici metalliche.

Negli organi nei quali siano presenti elevati carichi specifici e basse velocità relative e non si possano ottenere le condizioni di lubrificazione idrodinamica, si instaura il regime di lubrificazione detto a strato limite.

Tale condizione di lubrificazione, all’avviamento ed all’arresto del motore, si verifica anche per quegli organi nei quali a regime si instaurano condizioni di lubrificazione idrodinamica.

Pertanto in un motore tutti gli accoppiamenti in movimento relativo subiscono usure più o meno rilevanti nel tempo;

esse assumono una importanza non indifferente, data la loro entità, per quegli organi che sono particolarmente sollecitati, quali le camme e le punterie.

Si possono distinguere tré principali tipi di usura:

— formazione di microsaldature tra le superfici metalliche nei punti ove il film lubrificante si rompe, seguita immediatamente dal loro strappo e dalla asportazione di materiale dall’una o dall’altra superficie. Questo fenomeno, e che è causato dalle pressioni elevate che nascono nei punti di contatto diretto dei due metalli, è conosciuto sotto il nome di scuffing, che sta ad indicare una serie di piccoli grippaggi che si verificano a livello microscopico;

— levigatura delle superfici metalliche (polishing), tipica del periodo di rodaggio, ma che continua, anche se più lentamente, per tutto il periodo di funzionamento;

— vaiolatura (pitting) dovuta a fenomeni di fatica cioè a ripetute compressioni delle superfici a contatto che provocano scagliature superficiali; per limitare questa usura è molto importante la giusta scelta del tipo di materiale.

Gli additivi antiusura correntemente impiegati negli oli motore esercitano la loro azione essenzialmente nel prevenire lo " scuffing ".

Tali additivi sono dei composti organici contenenti zolfo, fosforo e zinco (in genere dialchil o aril-ditiofosfati di zinco); tra l’altro essi esercitano anche una sensibile azione antiossidante.