Τα τελευταία χρόνια έχει επέλθει μια θεαματική πρόοδος στην ποιότητα και απόδοση των λιπαντικών. Το μεγάλο άλμα επήλθε με την χρήση των συνθετικών βάσεων για την δημιουργία των λιπαντικών, καθώς και με την βελτίωση των προσθέτων, αλλά και με την δημιουργία νέων. Η πρόοδος αυτή ήταν σε συνάρτηση με την απαίτηση για όλο και μικρότερες απώλειες ισχύος, για μεγαλύτερη σταθερότητα των λιπαντικών υμένων μεταξύ των λιπαινόμενων επιφανειών, για αύξηση της διάρκειας ζωής των λιπαντικών, για αποτελεσματικότερη διαχείριση των κατάλοιπων καύσης κ.τ.λ.
Ξεκινώντας, θα πρέπει να αναλυθούν κάποιες βασικές έννοιες όπως αυτή του ιξώδους. Το ιξώδες των λιπαντικών χωρίζεται σε δύο είδη, το κινηματικό και το δυναμικό.
Το δυναμικό ιξώδες (dynamic viscosity)Το δυναμικό ιξώδες ενός νευτώνειου ρευστού είναι ίσο με την διατμητική τάση (ή πίεση) που εφαρμόζεται σε αυτό προς τον ρυθμό διάτμησής του. Δηλαδή αν στην επιφάνεια ενός ρευστού (π.χ. υγρού) επιπλεύσει μια πλάκα την οποία εμείς σέρνουμε, έχουμε διάτμηση του ρευστού. Αυτό γίνεται αφού τα μόρια του ρευστού, που ακουμπάνε στην πλάκα, την ακολουθούνε, ενώ αυτά που είναι πολύ μακριά από αυτήν και ακουμπούν σε έναν ακίνητο πυθμένα δεν την ακολουθούνε και παραμένουν στάσιμα. Συνεπώς, μεταξύ των μορίων υπάρχει μια ολίσθηση.
Αυτό προκαλεί διάτμηση στο ρευστό. Αυτή την διάτμηση την αντιλαμβανόμαστε εμείς ως αντίσταση την κίνηση της πλάκας επί της επιφανείας του ρευστού. Ο ρυθμός διάτμησης είναι ο ρυθμός μείωσης της ταχύτητας κίνησης των μορίων του ρευστού, όσο κινούμαστε από την πλάκα προς τον πυθμένα. Ο ρυθμός αυξάνεται όσο η απόσταση κινούμενης πλάκας – πυθμένα μειώνεται. Αυτό γίνεται αφού όσο κοντά και αν έρθει ο πυθμένας στην κινούμενη πλάκα, πάλι τα μόρια του ρευστού που είναι κοντά σε αυτόν θα ακινητούν μαζί του και τα μόρια που είναι κοντά στην κινούμενη πλάκα θα κινούνται σύμφωνα με αυτήν.
Το παραπάνω σχήμα περιγράφει εν πολλοίς τον ορισμό του νευτώνειου ρευστού. Βλέπουμε πως όσο προχωράμε κατά βάθος, τόσο η ταχύτητα των μορίων του ρευστού εξανεμίζεται (fluid velocity profile). Αυτό προκαλεί την ολίσθηση στα μόρια του ρευστού. Ο ρυθμός διάτμησης εδώ είναι ίσος με V/H (ταχύτητα πλάκας / απόσταση πυθμένα – πλάκας) . Η κινούμενη πλάκα στο σχήμα παρίσταται ως “moving plate” και ο πυθμένας ως “fixed plate”.
Η πλάκα είναι ένα τυχαία επιλεγμένο σχήμα. Το παραπάνω σχήμα θα μπορούσε να αναπαριστά σε μεγέθυνση το ένα πολύ μικρό (απειροστό) τμήμα του τοιχώματος ενός εμβόλου (moving plate) και το τοίχωμα του αντίστοιχου κυλίνδρου (fixed plate). Θα μπορούσε επίσης να παριστάνει σε μεγέθυνση απειροστά τμήματα του ρότορα και του στάτη ενός κουζινέτου.
Το μπλε τετράγωνο δείχνει πως επιδρούν στο ρευστό οι διατμητικές τάσεις (ή πιέσεις) υπό την παρούσα καταπόνηση (κίνηση πλάκας). Αν λοιπόν η διατμητική τάση (ή πίεση) συμβολίζεται με τ και ο ρυθμός διάτμησης (δηλαδή το πηλίκο V/H) με ε, τότε το δυναμικό ιξώδες (συμβολίζεται με το γράμμα n), σύμφωνα με τα παραπάνω, δίνεται από την σχέση : n = τ / ε. Το δυναμικό ιξώδες ενός ρευστού εξαρτάται από την θερμοκρασία και την πίεση. Μειώνεται με την άνοδο της θερμοκρασίας και αυξάνεται με την άνοδο της πίεσης. Η αύξηση του ιξώδους λόγω πίεσης γίνεται αισθητή και σημαντική μόνο σε υψηλές πιέσεις.
Το δυναμικό ιξώδες δηλαδή μας υποδεικνύει το τι αντίσταση θα φέρει ένα ρευστό για συγκεκριμένη ταχύτητα κίνησης της πλάκας. Η αντίσταση κίνησης, που εμείς πρέπει να υπερνικήσουμε, είναι ίση με την διατμητική τάση που αναπτύσσεται στο ρευστό επί την επιφάνεια της πλάκας. Από εδώ φαίνεται άμεσα η ανάγκη για λεπτόρρευστα λιπαντικά, προκειμένου να πετύχουμε μικρές απώλειες ισχύος, άρα και οικονομία στην κατανάλωση καυσίμου και μειωμένες εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου (CO2).
Το δυναμικό ιξώδες μετριέται σε Pa.s (διεθνές σύστημα μονάδων SI). Η τελίτσα ανάμεσα συμβολίζει το γινόμενο. Το s είναι μονάδα χρόνου (second). Το Pa είναι μονάδα πίεσης. Η τελευταία εκφράζει την δύναμη που αναπτύσσεται σε μια απειροστή (πολύ μικρή) επιφάνεια. Το Pa (από τον Blaise Pascal, Γάλλος φυσικός, μαθηματικός, θεολόγος και φιλόσοφος, 1623 – 1662) είναι πολύ μικρή μονάδα πίεσης. Πιο συγκεκριμένα 1 Bar = 100.000 Pa. Εναλλακτικά της μονάδος μέτρησης Pa.s υπάρχει και η cP (centiPoise). Ισχύει η σχέση : 1 Pa.s = 1000 cP.
Κινηματικό ιξώδες (kinematic viscosity)Το κινηματικό ιξώδες ενός νευτώνειου ρευστού ισούται με το δυναμικό ιξώδες διά την πυκνότητά του. Από την παραπάνω πρόταση γίνεται φανερό ότι και τα δύο μεγέθη (δυναμικό ιξώδες και πυκνότητα) πρέπει ν' αναφέρονται στην ίδια θερμοκρασία, ώστε το και το κινηματικό ιξώδες ν' αναφέρεται σε αυτή την θερμοκρασία.
Η πυκνότητα (συμβολίζεται με το γράμμα ρ) μειώνεται και αυτή με την αύξηση της θερμοκρασίας και η μονάδα μέτρησής της (διεθνές σύστημα μονάδων SI) είναι το πηλίκο Kg/m3. Συνεπώς το κινηματικό ιξώδες δίνεται από την σχέση n/ρ. Οι πορκύπτουσα μονάδα μέτρησης είναι η m2/s. Εναλλακτικά, χρησιμοποιείται ευρέως η μονάδα cSt (centiStokes). Ισχύει η σχέση 1 m2/s = 1.000.000 cSt.
ΣημείωσηΠιο πάνω αναφερθήκαμε στα νευτώνεια ρευστά. Νευτώνεια ρευστά λοιπόν (Isaak Newton, Άγγλος φυσικός, μαθηματικός, αστρονόμος, φιλόσοφος, αλχημιστής, θεολόγος, 1643 – 1727) καλούνται όλα εκείνα τα ρευστά τα οποία υπακούουν στον ορισμό του δυναμικού ιξώδους, έτσι όπως αυτός περιγράφτηκε πιο πάνω. Στην κατηγορία αυτή ανήκει ένα μεγάλο εύρος ρευστών, όπως το νερό, ο αέρας, το πετρέλαιο, τα μονότυπα λιπαντικά (single grade oil), ο υδράργυρος.
Μη νευτώνεια ρευστά είναι αυτά που δεν υποκούουν στον πιο πάνω ορισμό του δυναμικού ιξώδους. Τέτοια ρευστά είναι τα κολλειδή διαλύματα όπως το τσιμέντο, το γάλα, η ζελατίνη, το αίμα κ.α. ή και τα διασταλτικά διαλύματα (dilatant solutions), όπως το ζαχαρόνερο και το ούζο με νερό. Μη νευτώνεια ρευστά είναι και τα πολύτυπα λιπαντικά (multi–grade oils).
Μονότυπα – Πολύτυπα λιπαντικάΜόλις πριν έγινε λόγος για μονότυπα και πολύτυπα λιπαντικά. Ένα μονότυπο λιπαντικό επιδεικνύει μια πτώση του ιξώδους του συναρτήσει της θερμοκρασίας, σαν και αυτή που παρουσιάζεται στο ακόλουθο γράφημα (ο άξονας Υ είναι λογαριθμικής κλίμακας αλλά, λόγω απλότητας, παρακάμπτονται τέτοιες λεπτομέρειες).
Στα μονότυπα λιπαντικά η ο ρυθμός πτώσης είναι μεγάλος, κάτι που τα καθιστά μη αξιοποιήσιμα σε συνθήκες με μεγάλες θερμοκρασιακές μεταβολές.
Αντιθέτως, τα πολύτυπα λιπαντικά με την άνοδο της θερμοκρασίας αλλάζουν συμπεριφορά και καθίστανται πιο παχύρευστα (αυτό γίνεται αντιληπτό εφόσον γίνει αναγωγή στην ίδια θερμοκρασία). Συνεπώς, ο ρυθμός πτώσης του ιξώδους τους είναι σημαντικά βραδύτερος, κάτι που τα καθιστά αξιοποιήσιμα σε πολύ μεγαλύτερο εύρος θερμοκασιών λειτουργίας. Παρακάτω παρατίθεται ένα διάγραμμα για πολύτυπο λιπαντικό.
Η συμπεριφορά αυτή ενός πολύτυπου λιπαντικού εξασφαλίζεται μέσω ειδικών προσθέτων, τα οποία θ' αναλυθούν παρακάτω. Η ποιότητα ενός λιπαντικού δεν εξαρτάται από το αν είναι πολύτυπο ή μονότυπο. Κάλλιστα μπορεί ένα μονότυπο λιπαντικό να είναι φτιαγμένο από την ίδια λιπαντική βάση (συνθετικό λιπαντικό) και να έχει τα ίδια εξεζητημένα πρόσθετα σε σχέση με ένα πολύτυπο, πλην των πρόσθετων εκείνων που εξασφαλίζουν την πολύτυπη συμπεριφορά.
Μια τέτοια απαίτηση συναντάται σε κινητήρες, όπου λόγω καύσης αναπτύσσονται πολύ ψηλές θερμοκρασίες, αλλά και λόγω καιρικών συνθηκών και κρύας εκκίνησης, συναντώνται και πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Κάτι τέτοιο για έναν π.χ. βιομηχανικό μειωτήρα δεν υφίσταται. Για τον λόγο αυτόν στην πλειονότητα των βιομηχανικών μειωτήρων χρησιμοποιούνται μονότυπα λιπαντικά.
Κατάταξη λιπαντικών βάσει ιξώδουςΗ κύρια κατάταξη των λιπαντικών γίνεται με βάση το κινηματικό ιξώδες. Οι οργανισμοί που θεσπίσαν κλίμακες τυποποίησης είναι η SAE (Society of Automotive Engineers), η AGMA (American Gear Manufacturers Association) και η ISO (International Organization for Standardization). Η SAE χρησιμοποιεί δύο κλίμακες, την SAE J300d για τα λιπαντικά κινητήρων και την SAE J300c για τις βαλβολίνες.
Μερικές ενδεικτικές τιμές της J300d κλίμακας της SAE έχουν ως εξής :
Επιπλέον η κλίμακα SAE J300c έχει ως εξής :
Βλέπουμε λοιπόν ότι ότι ο δείκτης 75W με τον δείκτη 0W αντιστοιχούν σε σχεδόν ταυτόσιμα ιξώδη. Το μεγαλύτερο νούμερο δεν σημαίνει αναγκαστικά και μεγαλύτερο ιξώδες, αφού ανήκουν σε διαφορετικές κλίμακες τυποποίησης. Το γράμμα W προέρχεται από την αγγλική λέξη Winter, που σημαίνει χειμώνας. Το γράμμα W υποδηλώνει ότι το εν λόγω λιπαντικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί τον χειμώνα (πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, όπου παραμένει ρευστό το λιπαντικό).
Η AGMA κατατάσσει τα βιομηχανικά λιπαντικά καθώς και τα λιπαντικά για κιβώτια ταχυτήτων με βάση μια αριθμητική κλίμακα από το 1 έως το 8 (από το πιο λεπτόρευστό – 1, στο πιο παχύρευστο – 8 ). Το κινηματικό ιξώδες τώρα αναφέρεται στους 40oC. Η AGMA σε αυτή την τυποποίηση εντάσσει τα λιπαντικά με αντιδιαβρωτικά πρόσθετα (βλ. παρακάτω), τα λιπαντικά με πρόσθετα υψηλής πίεσης (βλ. παρακάτω), καθώς και αυτά με ειδικά οργανικά πρόσθετα (compounds) για αύξηση της λιπαρότητας. Υπάρχει και μια διαφορετική κλίμακα ιξώδους για κάθε τέτοια κατηγορία.λιπαντικών, οι οποίες όμως σχεδόν ταυτίζονται.
Η ISO, από την πλευρά της, χρησιμοποιεί μια κλίμακα από 2 έως 1500. Οι αριθμοί αυτοί παραπέμπουν απευθείας στο κινηματικό ιξώδες στους 40oC. Δηλαδή ένα λιπαντικό ISO 68 έχει κινηματικό ιξώδες 68 cSt στους 40oC. Και αυτή η τυποποίηση χρησιμοποιείται για βιομηχανικά λιπαντικά και λιπαντικά μειωτήρων, αλλά και για έλαια υδραυλικών συστημάτων.
Κατάταξη λιπαντικών βάσει της ποιότητάς τουςΠέρα από την κατάταξη βάσει ιξώδους υπάρχει και η κατάταξη βάσει γενικών ποιοτικών προδιαγραφών. Κατά συνέπεια η API (American Petroleum Institute) και η ACEA (Association des Constructeurs Europeens Automibiles) έχουν δημιουργήσει κατηγορίες ποιότητας οι οποίες περιγράφουν κατά τρόπο γενικό την ποιοτική στάθμη του εξαταζόμενου λιπαντικού. Η κατάταξη ενός λιπαντικού σε κάθε τέτοια κατηγορία ακολουθεί αυστηρώς ορισμένες μετρήσεις και δοκιμές. Τέτοιες κλίμακες έχουν θεσπίσει και διάφορες αυτοκινητοβιομηχανίες (Mercedes, VW/Audi, Volvo, Scania, MAN), καθώς και ο Αμερικανικός στρατός. Τέλος υπάρχει και ποιοτική κατάταξη βιομηχανικών λιπαντικών βάσει του DIN51502 (Deutsche Industrie Norm).
Για παράδειγμα μερικές καταχωρήσεις του πίνακα της API έχουν ως εξής :
Μερικές καταχωρήσεις στον πίνακα της ACEA έχουν ως εξής :
Οι καλύτερες προδιαγραφές, κατά την ACEA, είναι αυτές με το μεγαλύτερο ψηφίο μετά το γράμμα (Α5, Β5, Ε6).
Η API έχει επίσης καταρτίσει έναν πίνακα προδιαγραφών για βαλβολίνες, όπου χωρίζει τις προσδιαγραφές σε GL-1, GL-4, GL-5, GL-6, ξεκινώντας από την βαλβολίνη που προορίζεται για ελαφριά χρήση (GL-1), μέχρι αυτήν που προορίζεται για πολύ σκληρή χρήση (GL-6).
Πρόσθετα λιπαντικών, δείκτες και επεξηγήσειςΥπάρχει μια μεγάλη ποικιλία πρόσθετων τα οποία χρησιμοποιούνται για την επίτευξη συγκεκριμένων συμπεριφορών από τα λιπαντικά.
Πρώτα και κύρια υπάρχουν τα πρόσθετα που χρησιμοποιούνται προκειμένου να μετατρέψουμε ένα λιπαντικό σε πολύτυπο. Το λιπαντικό χωρίζεται σε δύο κύρια μέρη, την βάση και τα πρόσθετα, που αναμειγνύονται σε αυτή.
Η βάση ενός λιπαντικού κρίνει αν αυτό θα είναι συνθετικό ή όχι. Υπάρχουν οι παρακάτω βάσεις :
- Ορυκτέλαια παραφινικής βάσης
- Πολυάλφαολεφίνες (PAO)
- Εστέρες διβασικού οξέος, ή πολυόλης, ή φωσφατικοί
- Σιλικόνη
- Διαλκυλο-βενζένια
- Πολυ-γλυκόλες
Η πρώτη βάση χρησιμοποιείται για ορυκτέλαια, ενώ οι υπόλοιπες για συνθετικά λιπαντικά και όχι πάντα για εφαρμογές κινητήρων. Οι πολυαλφαολεφίνες βρίσκουν εφαρμογή σε λιπαντικά κινητήρων οχημάτων, αφού συνδυάζουν πολλά πλεονεκτήματα μαζί. Θεωρούνται πολύ καλής ποιότητας συνθετικές βάσεις. Απαντώνται συχνά και στον χώρο της βιομηχανίας.
Οι εστέρες βρίσκουν εφαρμογή κυρίως σε λιπαντικά για την αεροπορία. Οι φωσφατικοί εστέρες, πιο συγκεκριμένα, βρίσκουν εφαρμογή και σε υδραυλικά συστήματα της βιομηχανίας, σε περιπτώσεις όπου η θερμοκρασίες είναι πολύ υψηλές. Οι σιλικόνες χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο για την παρασκευή συνθετικών γράσσων, αλλά και για συνθετικά λιπαντικά γενικής χρήσης.
Σε μια από τις διαθέσιμες βάσεις λοιπόν (ή ακόμη και σε μείγμα αυτών) οι κατασκευαστές των λιπαντικών αναμειγνύουν τα πρόσθετα που θέλουν.
Όπως ειπώθηκε και πιο πριν, την πολύτυπη συμπεριφορά την λαμβάνουμε με χρήση ειδικών προσθέτων, τα οποία ονομάζονται βελτιωτές του δέικτη ιξώδους (Viscosity Index improvers). Πρόκειται για μεγάλα οργανικά μόρια σε μορφή αλυσίδας, τα οποία προκύπτουν από πολυμερισμό. Στις χαμηλές θερμοκρασίες οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων κρατάνε την αλυσίδα τυλιγμένη στον εαυτό της, οπότε τα μόρια αυτά δεν καταλαμβάνουν πολύ χώρο. Έτσι το λιπαντικό είναι λεπτόρευστο. Στις υψηλές θερμοκρασίες τα μόρια αυτά ξετυλίγονται, με αποτέλεσμα να καταλαμβάνουν χώρο αρκετό και να παρεμποδίζουν την ροή του λιπαντικού. Έτσι το λιπαντικό συμπεριφέρεται σαν πιο παχύρευστο, δηλαδή το ιξώδες του αυξάνεται, αναλογικά με πριν.
Με την πάροδο του χρόνου τα μεγαλο – μόρια αυτά κατακερματίζονται, λόγω των διατμητικών καταπονήσεων, με αποτέλεσμα το λιπαντικό να χάσει μέρος της πολύτυπης συμπεριφοράς του.
Δείκτης ιξώδους (Viscosity Index, ή αλλιώς VI) είναι ένας καθαρός αριθμός (χωρίς μονάδες), ο οποίος εκφράζει την αντίσταση ενός λιπαντικού στην μεταβολή του ιξώδους του. Όσο πιο μεγάλος είναι αυτός ο αριθμός, τόσο μεγαλύτερη αντίσταση έχει το λιπαντικό στην μείωση του ιξώδους του με την αύξηση της θερμοκρασίας. Τα σημερινά συνθετικά λιπαντικά επιτυγχάνουν αριθμούς VI μεγαλύτερους από 170. Ο προσδιορισμός του δείκτη ιξώδους γίνεται με βάση το πρότυπο ASTM D2270/IP226. Με την πάροδο του χρόνου ο δείκτης VI μειώνεται σαν συνέπεια του κατακερματισμού, που προαναφέρθηκε.
Άλλος ένας βασικός δείκτης που χαρακτηρίζει ένα λιπαντικό είναι ο δείκτης TBN (Total Base Number) του λιπαντικού. Ο δείκτης αυτός χαρακτηρίζει την αλκαλικότητα ενός λιπαντικού. Ισούται με τα χιλιοστόγραμμα (mg) υδροξειδίου του καλίου (ΚΟΗ), που διαχέονται μέσα σε ένα γραμμάριο λιπαντικού. Ο δέικτης αυτός χαρακτηρίζει την ικανότητα ενός λιπαντικού να δεσμεύει (εξουδετερώνει) τα οξέα που δημιουργούνται σαν παραπροϊόντα της καύσης. Η τιμή για συνθετικά λιπαντικά του TBN δείκτη κυμαίνεται από 8 έως 13. Προφανώς το μέγεθος του δέικτη αυτού επιδρά στην μακροζωία του λιπαντικού.
Κρίσιμης σημασίας πρόσθετα επίσης είναι τα αντιοξειδωτικά πρόσθετα. (anti – oxidant additives). Αυτά αποτρέπουν την οξείδωση του ίδιου του λιπαντικού, είτε αδρανοποιώντας τα ενδιάμεσα προϊόντα της οξείδωσης (peroxides, ή αλλιώς υπεροξείδια), είτε διαλύοντας τα ενδιάμεσα αυτά προϊόντα, είτε μέσω αντιδράσεων κατάλυσης δημιουργούν αδρανές περιβάλλον.
Η οξείδωση προέρχεται από τις υψηλά αναπτυσσόμενες θερμοκρασίες, οι οποίες εξαρτώνται από τις συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα, και από την παρουσία του οξυγόνου. Διατάξεις ψεκασμού του λαδιού (oil jets, π.χ. στο κάτω μέρος των κυλίνδρων) επιταχύνουν την οξείδωση. Το ίδιο κάνει και η παρουσία ιχνών μετάλλου (χαλκός, σίδηρος), αφού δρουν σαν καταλύτες. Υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας αυξάνουν απότομα τον ρυθμό οξείδωσης. Τα συνθετικά λιπαντικά αντέχουν πολύ περισσότερο στην οξείδωση, σε σχέση με τα ορυκτέλαια.
Τα σοβαρότερα αποτελέσματα της οξείδωσης είναι τα παρακάτω :
- Αύξηση του ιξώδους
- Δημιουργία λάσπης (λάσπη δημιουργείται και από άλλες αιτίες, όπως θα φανεί πιο κάτω)
- Δημιουργία ανθρακούχων υπολειμμάτων, τα οποία υποβαθμίζουν την λιπαντική ικανότητα.
Τα αντιδιαβρωτικά πρόσθετα (corrosive inhibitors) αποτρέπουν την διάβρωση των μεταλλικών μερών από παραπροϊόντα της καύσης, ή από την υποβάθμιση του ίδιου του λιπαντικού.
Σε αυτήν την κατηγορία ανήκει το υδροξείδιο του καλίου (ΚΟΗ) για την εξουδετέρωση των οξέων (βλ. ΤΒΝ), τα αντισκωριακά πρόσθετα (rust inhibitors), για την προστασία των μεταλλικών μερών από την ηλεκτροχημική διάβρωση, τα απορρυπαντικά πρόσθετα (detergents) και διασκορπιστικά πρόσθετα (dispersants). Τα απορρυπαντικά εμποδίσουν την δημιουργία λάσπης (sludge, varnish, engine deposits), ενώ τα τελευταία την διασκορπούν μέσα στο λιπαντικό αντίστοιχα, χωρίς να την αφήσουν να σχηματίσει συσσωματώματα. Αυτό επιτυγχάνεται, αφού τα διασκορπιστικά πρόσθετα δημιουργούν κολλοειδές διάλυμα (colloid) με τα συστατικά της λάσπης (η λειτουγία αυτή είναι ίδια με τους γαλακτωματοποιητές, βλ. παρακάτω). Επειδή η δημιουργία λάσπης είναι ένα πολύ σημαντικό φαινόμενο θ' αναλυθεί εν τάχει στην επόμενη ενότητα.
Οι απορρυπαντές αποτελούνται από ενώσεις που παράγονται από μέταλλα όπως το Βάριο (Ba), το ασβέστιο (Ca), ή το μαγνήσιο (Mg). Εξαιτίας της σύνθεσής τους δημιουργείται στάχτη (ash content) κατά την καύση του λιπαντικού.
Στην συνέχεια θα γίνει λόγος για κάποια πρόσθετα που αυξάνουν την οικονομία καυσίμου. Αυτά ονομάζονται τροποποιητές τριβής (friction modifiers). Πρόκεται για ενώσεις με πολικότητα και εμφανίζουν πολύ υψηλές δυνάμεις συναφείας με τις μεταλλικές επιφάνειες. Οι τελευταίες, αφού δεχθούν τις ενώσεις αυτές, παρουσιάζουν μειωμένες απώλειες ισχύος, λόγω τριβής. Η χρήση των πρόσθετων αυτών συναντάται, κατά κύριο λόγο, σε λιπαντικά που καλύπτουν την API προδιαγραφή SJ και πέρα (βλ. πιο πίσω). Τα πρόσθετα αυτά, σε συνδυασμό με τα μειωμένα ιξώδη των σύγχρονων λιπαντικών, έχουν δημιουργήσει μια νέα κατηγορια, η οποία ονομάζεται fuel economy oil (λιπαντικό εξοικονόμισης ενέργειας).
Οι οργανισμοί SAE, ASTM και API έχουν θεσπίσει μια εννιαία προδιαγραφή για τα λιπαντικά εξοικονόμησης ενέργειας, η οποία ονομάζεται energy conserving oil (παλαιότερα χωρίζοταν σε υποκατηγορίες Ι και ΙΙ, αλλά κατόπιν ενώθηκαν σε μια). Η ένταξη ενός λιπαντικού σε αυτή την κατηγορία εξαρτώταν από μια δοκιμή.
Η δοκιμή αυτή μετρούσε το ποσοστό εξοικονόμισης καυσίμου που επιτυγχάνονταν σε έναν κινητήρα εργαστηρίου (engine stand test), όταν αυτός λειτουργούσε υπό συγκεκριμένο φορτίο και στροφές. Η δοκιμή γινόταν σε δύο φάσεις. Την πρώτη φορά ο κινητήρας χρησιμοποιούσε ένα λιπαντικό αναφοράς και την δεύτερη το εξεταζόμενο λιπαντικό. Το ποσοστό θα 'πρεπε να ξεπερνα το 2,7%, προκειμένου να χαρακτηριστεί το λιπαντικό ως energy conserving. Τα τελευταία χρόνια η προδιαγραφή εντάχθηκε στην SK προδιαγραφή κατά ΑΡΙ και την καλύπτουν οι περισσότεροι κατασκευαστές λιπαντικών, συνθετικών και μη.
Οι γαλακτωματοποιητές (emulsifiers) αποτελούν ένα ακόμη πρόσθετο των λιπαντικών. Αυτοί βοηθούν στην ενσωμάτωση του νερού από το λιπαντικό. Κανονικά τα δύο αυτά υγρά δεν μπορούν ν' αναμειχθούν Με την βοήθεια όμως αυτών των πρόσθετων δημιουργείται ένα κολλοειδές διάλυμμα. Ουσιαστικά μέσω αυτών τα μόρια του νερού διαχέονται μέσα στο λιπαντικό (ό,τι ακριβώς κάνουν και διασκορπιστές με την λάσπη, βλ. πιο πάνω).
Γενικά, κολλοειδή διαλύματα καλούνται τα διαλύματα που προήλθαν από μη αναμείξιμα μεταξύ τους συστατικά (ανεμείξιμα με την έννοια της διάλυσης του ενός στο άλλο). Εφόσον συντρέχουν κάποιες προϋποθέσεις, μπορεί το ένα υγρό να διαχυθεί μέσα στο άλλο μέσω ηλεκτροστατικής απώθησης. Έτσι τα μόρια του νερού, μέσω των γαλακτοματοποιητών, αποκτούν ομόνυμο ηλεκτρικό φορτίο και απωθούνται μεταξύ τους. Έτσι διαχέονται μέσα στο λάδι, που τα φιλοξενεί. Παρακάτω εμφανίζεται σχηματικά η δημιουργία κολλοειδούς διαλύματος. Με Ι συμβολίζεται το λιπαντικό (βλ δεξιά πάνω στην εικόνα Α) και με ΙΙ η διασκορπιζόμενη φάση, δηλαδή το νερό.
Οι γαλακτωματοποιητές βοηθούν και στην σταθεροποίηση αυτής της κατάστασης. Η αποσταθεροποίηση – καταστροφή του κολλοειδούς διαλύματος ονομάζεται κροκίδωση (flocculation). Εκτός από την κροκίδωση εμφανίζονται και άλλοι τρόποι αποσταθεροποίησης ενός κολλοειδούς διαλύματος.
Απαραίτητα στοιχεία σε ένα λιπαντικό αποτελούν και τα αντιαφριστικά πρόσθετα (anti – foaming agents). Αυτά αποτρέπουν την δημιουργία φυσαλίδων αέρα σε μεγάλο μέγεθος. Η παρουσία των τελευταίων είναι επικίνδυνη, μιας και αν βρεθούν ανάμεσα σε δύο μεταλλικές επιφάνειες, δεν θα μπορούν να προσφέρουν λίπανση. Αυτό συμβαίνει αφού α αέρας έχει πολύ μικρή ικανότητα φόρτισης (loading capacity) σαν λιπαντικό, κάτι που οφείλεται στο πολύ μικρό ιξώδες του (ειδικά σε ψηλές θερμοκρασίες).
Έναν άλλο κίνδυνο, που αποσοβούν τα αντιαφριστικά πρόσθετα, είναι αυτός της σημειακής διάβρωσης (pitting). Πρόκειται για ηλετροχημική διάβρωση εντοπισμένη σε πολύ μικρές περιοχές (σημεία), η οποία όμως προχωρά σε βάθος μεγάλο, εν αντιθέσει με την κλασική ηλεκτροχημική διάβρωση η οποία δρα καταρχήν επιφανειακά. Προκαλείται όταν η μεταλλική επιφάνεια εκτεθεί σε περιβάλλον σε ανομοιογενή περιεκτικότητα σε αέρα (όπως ένα λιπαντικό με μεγάλες και εντοπισμένες φυσαλίδες αέρα μέσα του).
Σημειακή διάβρωση εμφανίζεται κυρίως σε κράματα μετάλλων, τα οποία έχουν υποστεί μια χημική διεργασία, που ονομάζεται παθητικοποίηση (passivation). Τέτοια κράματα είναι αυτά του ανοξείδωτου χάλυβα (stainless steel), του αλουμίνιου (βλ. κυλινδροκεφαλές, αλλά και μπλοκ κινητήρων), του νίκελ κ.α.
Τελειώνοντας με τα κύρια πρόσθετα, θα αναφερθούν τα πρόσθετα υψηλής πίεσης (Extreme Pressure additives, ή αλλιώς EP additives). Πρόκειται για ενώσεις οι οποίες σχηματίζουν ισχυρούς δεσμούς με τις μεταλλικές επιφάνειες. Ουσιαστικά γίνονται κομμάτι αυτών, με αποτέλεσμα να σχηματίζεται ένα είδος στερεού λιπαντικού, που αποτρέπει την επαφή μετάλλου με μέταλλο.
Η ένωση του πρόσθετου αυτού με το μέταλλο γίνεται σε υψηλές θερμοκρασίες, οι οποίες λαμβάνουν χώρα κατά την ξηρή ή ημιυγρή επαφή των μεταλλικών επιφανειών. Η βασική χρήση των πρόσθετων υψηλής πίεσης είναι η αποφυγή αρπάγματος (seizure). Τυπικό πρόσθετο υψηλής πίεσης αποτελεί το διθειούχο Μολυβδαίνιο (MoS2). Τα πρόσθετα υψηλής πίεσης χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο στις βαλβολίνες.
Μια συνήθης δοκιμασία των λιπαντικών, ώστε να εξεταστεί η αποτελεσματικότητά τους, είναι η δοκιμή των τεσσάρων σφαιρών (four ball tester). Τρεις από τις 4 σφαίρες τοποθετούνται σε ένα δοχείο, το οποίο γεμίζεται με το εξεταζόμενο λιπαντικό. Η τέταρτη σφαίρα περιστρέφεται ακουμπώντας τις άλλες τρεις. Η διάμετρος των σφαιρών είναι μισή ίντσα (½''). Το φορτίο, οι στροφές περιστροφής ανά λεπτό και η χρονική διάρκεια διεξαγωγής καθορίζονται από τα πρότυπα ASTM D – 4172B (75oC, 1200 rpm, 40kg, 1hr) και ASTM D – 4172 (150oC, 1800 rpm, 40kg, 1hr). Στο τέλος μετράται η φθορά που προέκυψε σε χιλιοστά. Παρακάτω απεικονίζεται η εν λόγω διάταξη.
Αυτά που αναφέρθηκαν μέχρι τώρα ήταν τα βασικά πρόσθετα που χρησιμοποιούνται σε ένα λιπαντικό. Εκτός αυτών υπάρχουν τα πρόσθετα ταπείνωσης του σημείου ροής (pour point depressant), κολλώδη πρόσθετα (tackiness additives), τα οποία είναι παρεμφερή με τα λιπαρά πρόσθετα (oilness agent – compounds). Επιπλέον θ' αναφερθεί ότι στα λιπαντικά ορίζονται διάφορα θερμοκρασιακά όρια, βάσει τυποποιήσεων. Έτσι υπάρχει το σημείο ανάφλεξης (flash point), το σημείο καύσης (fire point) και το σημείο αυτανάφλεξης (auto – ignition point).
Επίσης υπάρχει και η φαινόμενη ρευστότητα ενός λιπαντικού (apparent viscosity), η οποία λαμβάνεται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες (π.χ. -35oC). Στην περίπτωση αυτή μετράται το δυναμικό ιξώδες του λιπαντικού σε μονάδες cP (ASTM D – 5293). Με βάση αυτόν τον δέικτη μπορούμε να προσδιορίσουμε την δύναμη που απαιτείται για την άντληση του εν λόγω λιπαντικού στην εξεταζόμενη θερμοκρασία.
Τέλος υπάρχει και η δοκιμασία πτητικότητας (NOACK Volatility test), βάσει του προτύπου ASTM D – 5800. Η δοκιμασία αυτή έχει σαν σκοπό την εύρεση της συνολικής ποσότητας της βάσης του λιπαντικού, η οποία εξατμίστηκε, κάτω υπό συγκεκριμένες συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας λειτουργίας για το λιπαντικό. Η συνεχόμενη εξάτμιση προκαλεί αύξηση του ιξώδους, μείωση της ικανότητας άντλησης και της ικανότητας λίπανσης, αυξημένες φθορές στον κινητήρα καθώς και αυξημένες εκπομπές ρύπων.
Δημιουργία λάσπης (sludge, varnish, engine deposits)Κατά την λειτουργία ενός κινητήρα δημιουργούνται υδρατμοί και προιόντα της ατελούς καύσης (σε κρύο κινητήρα ιδίως). Αυτά τα προϊόντα μπορούν να διαφύγουν από τον θαλαμο καύσης εξαιτίας των αναπόφευκτων απωλειών συμπίεσης (blow by). Οι υδρατμοί, εφόσον συμπυκνωθούν (λόγω χαμηλών θερμοκρασιών λειτουγίας), τα προϊόντα ατελούς καύσης και τα ανθρακώδη υπολείμματα από τα πρόσθετα των καυσίμων ή του λιπαντικού, καθώς και η σκόνη, αλλά και τα διάφορα μεταλλικά σωματίδια φθοράς, προκαλούν την δημιουργία λάσπης.
Η λάσπη αυτή είναι ιδιαίτερα επιβλαβής και διαβρωτική για τον κινητήρα, εξού και η απαραίτητη παρουσία των απορρυπαντών και των διασκορπιστών. Προκαλεί εκτεταμένες φθορές στα μεταλλικά μέρη του κινητήρα, εφόσον έρθει σε επαφή με αυτά. Η δημιουργία λάσπης ευνοείται ιδιαίτερα όταν ο κινητήρας λειτουργεί συνεχώς κρύος. Αυτό γίνεται επειδή οι υδρατμοί δεν μπορούν να εξαερωθούν και να απομακρυνθούν από το σύστημα αναθυμιάσεων του στροφαλοθαλάμου. Έτσι συμβάλλουν καθοριστικά στην δημιουργία λάσπης.
Σχηματισμό λάσπης έχουμε και εξαιτίας των παρατεταμένων χρονικών διαστημάτων σε υψηλές θερμοκρασίες, κυρίως λόγω της οξείδωσης, όπως προαναφέρθηκε. Επιπρόσθετα, η δημιουργία λάσπης ευνοείται πολύ και από την παρατεταμένη λειτουργία σε υψηλό φορτίο (π.χ. κίνηση σε ανηφόρα διαρκείας, ρυμούκλιση κ.τ.λ.), αφού τότε διοχετεύονται μεγαλύτερες ποσότητες αναθυμιάσεων στον στροφαλοθάλαμο (πρώτη ύλη για την δημιουργία λάσπης). Επίσης, το παρατεταμένα υψηλό φορτίο προκαλεί και υψηλές θερμοκρασίες.
Τέλος, όταν η αντικατάσταση του λιπαντικού (μαζί με το φίλτρο) γίνεται ανά πολύ μεγάλα χρονικά διαστήματα, το λιπαντικό χάνει τις ιδιότητές του, αφού αξαντλούνται τα αποθέματά του σε αντιδιαβρωτικά πρόσθετα (KOH, απορρυπαντές, διασκορπιστές, αντισκωριακά) και έτσι δεν μπορεί πλέον να ελέγξει την δημιουργία λάσπης. Επιπρόσθετα, το πιθανότερο είναι να έχει πλέον υποστεί και εκτεταμένη οξείδωση (αύξηση ιξώδους, δημιουργία λάσπης από οξείδωση) και να μην δύναται πλέον να λιπάνει σωστά. Τέλος, με την πάροδο του χρόνου και τα βελτιωτικά ιξώδους καταστρέφονται, με αποτέλεσμα να χάσει το λιπαντικό μέρος της πολύτυπης συμπεριφοράς του.
Είναι φανερό ότι ο ρυθμός δημιουργίας λάσπης εξαρτάται έντονα από την κατάσταση των μεταλλικών μερών του κινητήρα, δηλαδή το επίπεδο φθοράς τους. Αν ένας κινητήρας υποβαθμίζει το λιπαντικό του πολύ γρήγορα, είναι επειδή έχει υποστεί εκτεταμένη φθορά στα κινούμενα μέρη του (βαλβίδες εξαγωγής κύρίως, αλλά και εισαγωγής, ελατήρια εμβόλων κ.τ.λ.) και έτσι παράγει πολλές αναθυμιάσεις.
Οι πολλές αναθυμιάσεις προκαλούν και έντονη εξάτμιση της βάσης του λιπαντικού κάτι που αφήνει ανθρακώδεις επικαθίσεις και μέσα στον θάλαμο καύσης, αλλά και στον μηχανισμό των βαλβίδων (κυρίως της εξαγωγής). Η υπερβολική εναπόθεση ανθρακωδών επικαθίσεων στους θαλάμους, μειώνει την θερμοαγωγιμότητα των τελευταίων, με αποτέλεσμα να ευνοείται η αυτανάφλεξη – προανάφλεξη. Αυτός είναι και ο λόγος που τα παλαιά αυτοκίνητα (και όχι ενδελεχώς συντηρημένα) είναι ιδιαιτέρως επιρρεπή στην αυτανάφλεξη – προανάφλεξη.
Οι παραγόμενες σε μεγάλες ποσότητες αναθυμιάσεις περνάνε από τον στροφαλοθάλαμο ξανά στο σύστημα εισαγωγής, μέσω του συστήματος αναθυμιάσεων του τελευταίου. Κατά συνέπεια όλη αυτή η πορεία προκαλεί πτώση της θερμοκρασίας τους. Έτσι, οι ατμοι της βάσης του λιπαντικού, που παρασύρθηκε με τις αναθυμιάσεις, υγροποιείται εκ νέου. Παλαιότερα, όπου η διοχεύτευση των αναθυμιάσεων στο σύστημα εισαγωγής γινόταν πριν από το φίλτρο αέρος, εμφανίζοταν λιπαντικό μέσα σε αυτό. Αυτό ήταν και δείγμα της κακής κατάστασης του κινητήρα.
Παραδείγματα λιπαντικών (πηγή: Amsoil, Castrol, Shell)Παρακάτω παρουσιάζονται πίνακες με χαρακτηριστικά λιπαντικών. Βάσει αυτών, που έχουν μέχρι τώρα ειπωθεί, είναι δυνατή η κατανόησή τους από τον αναγνώστη.
Στον πρώτο πίνακα παρουσιάζονται τα βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά ενός συνθετικού λαδιού της εταιρίας Amsoil (η τέταρτη σειρά αφορά την φαινόμενη ρευστότητα, η περιγραφή των χαρακτηρστικών είναι αναλυτικότερη στο επόμενο πινακάκι).
Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά του καλύτερου συνθετικού λιπαντικού που διαθέτει αυτή την στιγμή η προαναφερθείσα εταιρία.
Παρακάτω παρατίθεται ο πίνακας χαρακτηριστικών ενός λιπαντικού της εταιρίας Castrol (Tection Extra 15W-40), το οποίο προορίζεται για diesel κινητήρες (heavy duty diesel oil).
Τέλος δίνονται και τα τεχνικά χαρακτηριστικά μερικών λιπαντικών της εταιρίας Shell, το Helix Ultra 5W-40 και η σειρά Helix Super.
Επίδραση της πίεσης στο ιξώδες του λιπαντικούΗ άνοδος της πίεσης αυξάνει απότοτμα το ιξώδες του λιπαντικού. Σε ακραίες περιπτώσεις μπορεί να επιφέρει και στερεοποίηση. Για να γίνει αντιληπτή η επίδραση της πίεσης στο ιξώδες πρέπει η τελευταία να είναι πολύ ηψηλή (της τάξης των GPa, βλ. πιο πριν για ορισμό μονάδων). Τέτοιες υψηλές πιέσεις εμφανίζονται μόνο σε μη σύμμορφες επιφάνειες.
Σύμμορφες επιφάνειες αποκαλούμε τις επιφάνειες των οποίων η γεωμετρία επιτρέπει να υπάρχει μεγάλη επιφάνεια επαφής μεταξύ τους. Δύο ομόκεντροι κύκλοι με μικρή διαφορά στην ακτίνα τους είναι σύμμορφες επιφάνειες. Κλασικό παράδειγμα είναι ένα κουζινέτο, όπου έχουμε έναν δακτύλιο με μια ακτίνα R και έναν εξωτερικό δακτύλιο με λίγο μεγαλύτερη διάμετρο R’.
Μη σύμμορφες επιφάνειες αποκαλούμε τις επιφάνειες των οποίων η γεωμετρία απαγορεύει την μεγάλη επιφάνεια επαφής μεταξύ τους. Αν για παράδειγμα οι δύο προηγούμενοι ομόκεντροι κύκλοι αποκτήσουν μεγάλη διαφορά στις ακτίνες τους, θα θεωρούνται μη σύμμορφες επιφάνειες. Τέτοια περίπτωση είναι η μπίλια ενός ρουλεμάν που έχει μια ακτίνα καμπυλότητας πολύ μικρότερη από την ακτίνα καμπυλότητας του δακτυλιδιού που την φιλοξενεί Άλλο παράδειγμα είναι ο τροχός ενός τρένου που πατά σε μια ράγα. Η ράγα μπορεί να θεωρηθεί σαν κύκλος με άπειρη ακτίνα καμπυλότητας. Άλλο παράδειγμα είναι το έκκεντρο που πατά πάνω στο κύπελλο μια βαλβίδας Μ.Ε.Κ. Επίσης μη σύμμορφες επιφάνειες έχουμε και όταν μια κοίλη με μια κυρτή επιφάνεια έρχονται σε επαφή. Κλασικό παράδειγμα αυτής της κατηγορίας είναι η εμπλοκή των παρειών δύο δοντιών ενός ζεύγους οδοντωτών τροχών (βλ. και παρακάτω σχήμα).
Εύκολα μπορεί να υποθέσει κανείς ότι η επιφάνεια επαφής μεταξύ δύο μη σύμμορφων επιφανειών είναι πολύ μικρότερη από την επιφάνεια επαφής μεταξύ δύο σύμμορφων, εφαρμόζοντας και στις δύο το ίδιο φορτίο. Αυτό έχει άμεσο αντίκτυπο στην πίεση που αναπτύσσεται μεταξύ τους. Υπενθυμίζουμε ότι η πίεση είναι ο λόγος της δύναμης που αντιστοιχεί σε μια απειροστή επιφάνεια προς αυτήν την απειροστή επιφάνεια.
Ενώ στην πρώτη περίπτωση (σύμμορφες) αναπτύσσονται πιέσεις της τάξης των MPa στην επιφάνεια επαφής, στην δεύτερη περίπτωση πρέπει να αντιμετωπίσουμε πιέσεις της τάξης των GPa. Στην περίπτωση των MPa, τα σώματα μπορεί να θεωρηθεί με αμελητέο σφάλμα ότι δέχονται μικρές τοπικές πιέσεις (στην περιοχή της επιφάνειας επαφής δηλαδή), ανίκανες να τα παραμορφώσουν τοπικά. Αυτό δεν είναι βέβαια ακριβές. Μπορούμε να το ισχυριστούμε όμως λόγω των σύμμορφων επιφανειών. Δηλαδή μια απειροελάχιστη παραμόρφωση αρκεί για να αυξήσει τόσο πολύ την επιφάνεια επαφής (ακριβώς λόγω του σύμμορφου των επιφανειών), ώστε η ασκούμενη τοπικά πίεση να μειωθεί δραστικά. Η μαθηματική θεωρία που περιγράφει την λίπανση σύμμορφων επιφανειών ονομάζεται υδροδυναμική λίπανση.
Το παρακάτω σχήμα δίνει μια εποπτεία των παραπάνω συλλογισμών. Πρόκειται για δύο κυλίνδρους σε πλαϊνή όψη (2D), όπου ο πρώτος εδράζεται μέσα στον δεύτερο. Το πάχος της διατομής τους θεωρείται αμελητέο. Στον μέσα κύλινδρο ασκείται ένα κατακόρυφο φορτίο (ακόμα και το ίδιο βάρος μπορεί να θεωρηθεί εξωτερικό φορτίο). Επειδή οι δύο κύλινδροι έχουν μικρή διαφορά στην ακτίνα τους, μόλις ο μέσα κύλινδρος πιέσει τον εξωτερικό, θα ασκηθεί μια πίεση και στους δύο, λόγω δράσης – αντίδρασης. Αυτή η πίεση (ή τάση) θα προκαλέσει μια παραμόρφωση και στους δύο κυλίνδρους. Βλέποντας το σχήμα, νοερά μπορούμε εύκολα να διαπιστώσουμε ότι η παραμόρφωση αυτή θα προκαλέσει μια αστραπιαία αύξηση της επιφάνειας και έτσι η πίεση θα μειωθεί δραστικά. Δεν ισχύει το ίδιο με το ζεύγος εξωτερικός κύλινδρος – δάπεδο. Επειδή οι μεταξύ τους επιφάνειες είναι μη σύμμορφες, το ίδιο φορτίο θα προκαλέσει πολύ μεγαλύτερες πιέσεις (GPa).
Τόσο υψηλές πιέσεις (GPa) θα προκληθούν αφού η επιφάνεια επαφής για την ίδια φόρτιση θα είναι πολύ μικρότερη. Αυτό θα συμβεί ακριβώς επειδή η γεωμετρία των μη σύμμορφων επιφανειών δεν επιτρέπει την δημιουργία μεγάλης επιφάνειας επαφής, όπως φαίνεται και από το σχήμα. Το εξωτερικό φορτίο μεταβιβάζεται από τον εσωτερικό κύλινδρο στον εξωτερικό, όπου λόγω της σύμμορφης επιφάνειας δεν προκαλεί μεγάλες πιέσεις. Στην συνέχεια το φορτίο αυτό διοχετεύεται στο δάπεδο (και τελικά στο έδαφος), όπου όμως τώρα, λόγω μη σύμμορφης επιφάνειας, προκαλούνται πολύ μεγαλύτερες πιέσεις. Το δάπεδο εδώ θα μπορούσε να είναι η ράγα ενός τρένου και ο εξωτερικός κύλινδρος ο τροχός του (όπως ειπώθηκε και πιο πριν).
Ο Heinrich Hertz (1857 – 1894) ανέπτυξε μια θεωρία βάσει της οποίας μπορούμε να υπολογίζουμε το εμβαδόν της επιφάνειας επαφής μεταξύ δύο μη σύμμορφων επιφανειών που υπόκεινται σε φόρτιση. Η φόρτιση αυτή προκαλεί τοπική ελαστική παραμόρφωση. Έτσι η επιφάνεια επαφής εξαφανίζεται όταν αρθεί η φόρτιση, όπως εξαφανίζεται και παραμόρφωση στο δάκτυλό μας όταν το απομακρύνουμε από το τζάμι. Η μαθηματική θεωρία που περιγράφει την λίπανση σε μη σύμμορφες επιφάνειες ονομάζεται ελαστοϋδροδυναμική λίπανση.
Η επιφάνεια αυτή μπορεί να έχει δύο πιθανά σχήματα, ανάλογα το είδος της μη σύμμορφης γεωμετρίας. Στις μη σύμμορφες επιφάνειες λοιπόν υφίστανται δύο είδη επαφής. Η σημειακή επαφή και η γραμμική επαφή.
Σημειακή επαφή έχουμε όταν π.χ. δύο σφαίρες έρθουν σε επαφή. Όταν δύο επιφάνειες μη σύμμορφες δημιουργούν σημειακή επαφή, το σχήμα της επιφάνειας επαφής τους θα είναι μια έλλειψη. Το σχήμα, δηλαδή η εκκεντρότητα της έλλειψης, καθορίζεται από τα επιμέρους γεωμετρικά στοιχεία των επιφανειών. Αν τα δύο υπό επαφή αντικείμενα λοιπόν είναι σφαίρες, η προκύπτουσα εκκεντρότητα είναι μηδενική, οπότε η έλλειψη γίνεται κύκλος.
Παρακάτω διακρίνεται μια σημειακή επαφή μεταξύ σφαιρών σε σχήμα 3D. Η περιοχή επαφής (κόκκινο χρώμα) των δύο αυτών σφαιρών, λόγω παραμορφωσιμότητας των σωμάτων και κάτω υπό την επίδραση μιας φόρτισης, αποκτά ένα ελλειπτικό σχήμα με μηδενική εκκεντρότητα (κύκλος). Οι διαστάσεις (άρα και το εμβαδόν) της επαφής υπολογίζονται από την θεωρία του Hertz. Στο σχήμα η επιφάνεια επαφής φαίνεται πολύ μεγαλύτερη απ’ ότι συνήθως συμβαίνει στην πράξη, για λόγους εποπτείας και ευκολίας στην παρατήρηση. Σημειακή επαφή θα είχαμε και αν μια σφαίρα ακουμπούσε σε ένα επίπεδο.
Γραμμική επαφή έχουμε π.χ. στο παραπάνω σχήμα με τον εξωτερικό κύλινδρο και το επίπεδο. Όταν οι μη σύμμορφες επιφάνειες δημιουργούν γραμμική επαφή, το σχήμα θα είναι ένα ορθογώνιο. Η μια του πλευρά θα είναι ίση με την ελαστική διαπλάτυνση εξαιτίας της φόρτισης (λόγω παραμορφωσιμότητας) και η άλλη του πλευρά θα είναι ίση με το πλάτος του κυλίνδρου ή γενικότερα των σωμάτων που έρχονται σε επαφή.
Παρακάτω διακρίνεται μια άλλη περίπτωση γραμμικής επαφής σε απλοϊκό σχήμα (3D). Παριστάνονται δύο οδοντωτοί τροχοί με ίσια δόντια σε στιγμιότυπο εμπλοκής. Φαίνεται μόνο ένα δόντι σε κάθε τροχό για ευκολία. Η μπλε περιοχή είναι η επιφάνεια επαφής λόγω γραμμικής επαφής. Στην πράξη είναι πολύ πιο λεπτή αυτή η ορθογωνικού σχήματος επαφή, λόγω πολύ μικρότερης ελαστικής διαπλάτυνσης. Τώρα παρουσιάζεται σε μεγέθυνση. Η εικόνα αυτή δείχνει ένα στιγμιότυπο εμπλοκής δοντιών, αφού την επόμενη χρονική στιγμή της εμπλοκής η επιφάνεια επαφής θα αλλάξει θέση και μέγεθος ως προς τα δόντια.
Μια συμπλήρωση.
Στους πίνακες της AMSOIL παρουσιάζεται ένας δείκτης που λέγεται "HTHS ASTM D4683 ή High Temperature/High speed Shear Viscosity, ASTM D4683".
Πρόκειται για το δυναμικό ιξώδες (σε μονάδες cP), που το λιπαντικό παρουσιάζει σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής ταχύτητας ολίσθησης ανάμεσα στις λιπαινόμενες επιφάνειες (βλ. τυποποίηση ASTM D4683 για λεπτομέρειες). Όπως ειπώθηκε στο άρθρο, τα πολύτυπα λιπαντικά δεν είναι νευτώνεια ρευστά (βλ. σημείωση). Αυτό σημαίνει ότι το ιξώδες τους μπορεί να μεταβάλλεται συναρτήσει
