w okresie eksploatacji

Nowoczesne rozwiązania konstrukcyjne silników samochodowych (bezpośredni wtrysk, turbodoładowanie, recyrkulacja spalin, stosowanie coraz bardziej efektywnych katalizatorów i filtrów spalin) prowadzą do wzrostu wymagań jakości olejów silnikowych. Wszystkie te rozwiązania znajdują odbicie w rozwoju technologii środków smarowych, w tym baz olejowych i pakietów dodatków uszlachetniających. Należy również podkreślić, że nowoczesne konstrukcje silników znacznie wydłużają okres pomiędzy wymianami oleju, co sprawia, że nasz rynek się kurczy. W ciągu ostatnich 2-3 lat okresy pomiędzy wymianą oleju wydłużyły się nawet trzykrotnie. W przypadku silników wysokoprężnych zdarza się już, że konieczność wymiany oleju następuje co 45 tys. km, a w przypadku silników benzynowych co 30 tys. km. Tymczasem jeszcze kilka lat temu standardem była wymiana co 10 tys. km.

Nowoczesne konstrukcje silników
Nowoczesne silniki z zapłonem iskrowym stają się coraz bardziej rozbudowane i zarazem skomplikowane. Szczególnie odnosi się to do głowic cylindrowych, które przybierają coraz większe rozmiary, a pozostaje w nich coraz mniej miejsca na skomplikowane systemy zminiaturyzowanych kanałów dla przepływu chłodziwa i oleju smarującego. Poza skomplikowaną konstrukcją, nowoczesne silniki cechuje coraz wyższy stopień sprężania, który prowadzi do nieustannego zwiększania tzw. wysilenia silników i prędkości obrotowej. Wymienione zmiany w silnikach przyczyniają się do pracy niektórych jego układów i elementów w warunkach coraz większego obciążenia, wyższej temperatury, a także powodują coraz częściej powstawanie znaczącej różnicy temperatury pomiędzy głowicą a blokiem cylindrowym oraz pojawienie się obszarów, gdzie olej smarujący narażony jest na miejscowe przegrzania przy równoczesnym występowaniu dużych sił ścinających (np. na wielu powierzchniach styku ruchomych elementów układów rozrządu). Wzrasta gwałtownie obciążenie oleju silnikowego wyrażane wskaźnikiem tzw. stresu olejowego.

Przegrzewanie silnika lub jego elementów
Współczesne silniki z ZI, zwłaszcza te, w których proces spalania odbywa się w uwarstwionej, często ubogiej mieszance, charakteryzują się wysoką temperaturą spalania ładunku. Z kolei opisane wcześniej, rozbudowane głowice cylindrowe o skomplikowanych odlewach, w których kanały chłodziwa mają często maksymalnie ograniczoną pojemność, sprzyjają powstawaniu lokalnych obszarów o wyraźnie podniesionej temperaturze. Począwszy od około 100oC, olej silnikowy wykazuje podwyższoną skłonność do utleniania, a powyżej około 140oC jego utlenianie i termiczny rozkład zachodzi w sposób gwałtowny. Dlatego też producenci olejów powszechnie stosują inhibitory utleniania, jednak te w miarę eksploatacji oleju ulegają degradacji, a ich wyjściowy potencjał maleje i proces utleniania może przebiegać coraz bardziej swobodnie, zwłaszcza w okresach przegrzewania elementów silnika przy dużym dostępie powietrza. Postępujące utlenianie prowadzi do zagęszczania oleju i podniesienia jego liczby kwasowej. Z biegiem czasu olej zaczyna być coraz bardziej nasycony rozpuszczalnymi i nierozpuszczalnymi produktami utleniania, co powoduje, że efektywność dodatków dyspergująco-detergencyjnych jest niewystarczająca do utrzymania ich w stanie zawieszenia w oleju, następuje wytracanie substancji smolistych i szlamów na elementach silnika. Dodatkowym czynnikiem wspomagającym tworzenie się szlamów jest nitrowanie oleju (powodujące jego ubożenie w dodatki) poprzez oddziaływanie tlenków azotu powstających w komorze spalania (zwłaszcza przy spalaniu ubogiej mieszanki) i przedostających się do skrzyni korbowej silnika. Szlamy zaczynają pokrywać wewnętrzne powierzchnie różnych elementów silnika, ograniczając wymianę i odprowadzenie ciepła z silnika, co powoduje stopniowy wzrost temperatury jego pracy i dalszą przyspieszoną destrukcję oleju.

Przedmuchy gazów spalinowych do skrzyni korbowej
Część produktów procesów spalania przebiegających w komorach spalania silnika przedostaje się w postaci przedmuchów do skrzyni korbowej, oddziałując na olej. Z punktu widzenia konstrukcji silnika ważna jest tu proporcja pomiędzy ilością gazów spalinowych przedmuchiwanych do skrzyni korbowej a pojemnością miski olejowej, a więc ilością oleju poddawanego działaniu tych gazów. Istotny jest też sposób odprowadzania przedmuchiwanych gazów ze skrzyni korbowej. Wysoka temperatura oraz skład przedmuchiwanych gazów zawierających tlenki azotu, tlenki siarki, tlen, wysoko reaktywne wodoronadtlenki, zmieszanych z nie spalonym lub częściowo spalonym paliwem, chemicznie niestabilnym i sadzą to czynniki, które oddziałując na cienką warstwę oleju silnikowego prowadzą do niepożądanych następstw, jakimi jest powstawanie prekursorów osadów, żywic i laków. One to, ulegając aglomeracji i flokulacji, mogą wypadać z oleju zarówno w niskich, jak i wysokich temperaturach. Ponadto, współczesne oleje silnikowe zawierają dużą ilość dodatków uszlachetniających, w tym przeciwutleniających. Dodatki te, narażone na oddziaływanie bardzo rozgrzanych, niestabilnych chemicznie gazów spalinowych przedmuchiwanych do skrzyni korbowej, ulegają rozkładowi, a zwiększona ilość produktów rozkładu dodatkowo obciąża olej bazowy, powodując jego zagęszczanie, a następnie sprzyja ich wypadaniu.

Stosowanie niewłaściwego oleju smarującego
Stosowanie niewłaściwego oleju do smarowania silnika powoduje jego przyspieszone, a nawet awaryjne zużycie. Może też mieć wpływ na tworzenie osadów w postaci żeli lub czarnych szlamów. Zastosowanie w nowoczesnych silnikach oleju smarującego o zbyt dużej lepkości powoduje jego opóźnione docieranie do wielu miejsc wymagających intensywnego smarowania (zwłaszcza podczas rozruchu), a równocześnie długie zaleganie (na skutek spowolnionego przepływu) szczególnie w kanalikach o małym przekroju przepływu. Takie zbyt długie zaleganie oleju prowadzi do jego przegrzewania, przedwczesnego utleniania i w konsekwencji wytworzenia szlamów, a następnie tzw. korków szlamowych blokujących przepływ przez kanały olejowe. Powolny przepływ oleju przez kanały układu smarowania silnika powoduje też zmniejszenie odprowadzenia ciepła z silnika, co prowadzi do jego przegrzewania, a to z kolei do przyspieszonego utleniania i degradacji składników oleju inicjujących lub zwiększających powstawanie czarnych szlamów. Nowoczesny silnik wymaga indywidualnego dobrania i stosowania oleju smarującego o odpowiedniej jakości, uwzględniając jego klasę lepkości i biorąc pod uwagę: wysokie obciążenia cieplne silnika, ilość gorących i agresywnych gazów spalinowych przedmuchiwanych do skrzyni korbowej, konieczność szybkiej cyrkulacji i efektywnego smarowania w każdych warunkach pracy silnika, zdolność do dyspergowania wszelkich osadów, produktów utleniania oleju i zanieczyszczeń powstających w procesie spalania itp.

Wydłużanie okresu pomiędzy wymianami oleju
Wydłużenie okresu eksploatacji oleju prowadzi do wielu niekorzystnych zjawisk, powodujących szybkie pogarszania jego właściwości i powstania produktów degradacji oleju w postaci między innymi: żeli, laków, żywic i czarnych szlamów. Eksploatacja oleju powoduje stopniowe odparowanie jego lekkich frakcji oraz coraz intensywniejsze utlenienie, co przekłada się na zwiększenie lepkości, stanowiące jeden z ważniejszych parametrów oceny oleju pod kątem przydatności do dalszej jego eksploatacji. Zwiększanie lepkości powoduje między innymi: wzrost skłonności oleju do jego dekompozycji na skutek przegrzewania, utrudnienia cyrkulacji oleju w silniku, pogorszenie smarowania coraz większej liczby ważnych elementów silnika, inicjowanie formowania różnych osadów na skutek podwyższania temperatury pracy silnika i oddziaływania coraz bardziej agresywnych, gorących spalin przedmuchiwanych do skrzyni korbowej. Powyżej opisany proces utraty podstawowych właściwości oleju może być w pewnym stopniu złagodzony w przypadku silników zużywających dużą ilość oleju, a więc wymagających jego częstego uzupełniania (odświeżania). Nadmierne wydłużanie okresu eksploatacji oleju powoduje też utratę jego rezerwy alkalicznej i wzrost kwasowości, wytrącanie i degradację dodatków uszlachetniających i inicjuje powstawanie żywic oraz szlamów.

Warunki eksploatacji silnika
Poniżej podano warunki eksploatacji samochodu, które sprzyjają powstawaniu szlamów w silniku:
- krótkie odcinki jazdy samochodem (wielokrotne rozgrzewanie i chłodzenie silnika);
- jazda w korkach ulicznych (warunki jazdy określane jako: stop and go);
- przedłużona praca silnika na biegu jałowym (jazda i przestoje samochodu w korkach ulicznych);
- częste uruchamianie silnika w niskich temperaturach;
- eksploatacja samochodu w terenach górzystych (naprzemienne gwałtowne przegrzewanie i chłodzenie silnika);
Wyżej wymienione warunki powodują intensywną kondensację wody na wewnętrznych elementach silnika, a następnie jej skraplanie i tworzenie emulsji z olejem smarującym. Teoretycznie, przy normalnej eksploatacji samochodu (tzn. w warunkach nieobejmujących wyliczonych powyżej), woda nie powinna skraplać się w silniku, ponieważ występujące wewnątrz silnika temperatury rzędu 90–100oC umożliwiają jej odparowanie. Jednak nieregularna eksploatacja samochodu na krótkich trasach i przy niskich temperaturach powoduje w sposób nieunikniony skraplanie i przedostawanie się wody do oleju. Woda dostaje się też do oleju wraz z gazami spalinowymi przedmuchiwanymi do skrzyni korbowej. Wytworzona emulsja olejowo-wodna powoduje gęstnienie oleju, utrudnia jego cyrkulację w kanałach silnika, co prowadzi między innymi do przegrzewania oleju i jego utlenianie, zwiększanie lepkości i formowanie różnego rodzaju zanieczyszczeń w tym szlamów. Woda w skrzyni korbowej zawiera między innymi siarkę ze spalonego paliwa, która tworzy kwasy, w tym kwas siarkowy, kwas solny i kwasy organiczne. Przedostające się do oleju kwasy powodują rozkład dodatków detergentowych, a kwasy organiczne wchodzą w reakcje z niezupełnie spalonym paliwem, inicjując powstawanie szlamów i laków.

Lotność oleju
Obecnie przy opracowywaniu nowych olejów silnikowych obowiązują dwie podstawowe tendencje, tj. obniżanie szybkości odparowywania oleju (lotności) i wydłużanie okresów pomiędzy jego wymianami. Dotychczas przeprowadzone badania silnikowe i drogowe pozwoliły poczynić następujące obserwacje w zakresie wyżej określonych tendencji. Wydłużona eksploatacja olejów o dużej lotności (dużej szybkości odparowania) prowadzi do zwiększania wraz z upływem czasu eksploatacji stężenia metalicznych dodatków w oleju. W przypadku wydłużonej eksploatacji olejów o małej lotności (małej szybkości odparowania) występuje odwrotna tendencja, tzn. niewielkie obniżanie stężenia dodatków metalicznych w oleju. Obniżanie stężenia dodatków jest spowodowane ich stopniową degradacją na skutek różnych czynników oddziałujących na eksploatowany olej. W konsekwencji olej o małej lotności wykazuje w miarę eksploatacji coraz mniejszą odporność na utlenianie, zwiększoną tendencję do tworzenia osadów i coraz mniej chroni elementy silnika przed zużyciem. Olej o dużej lotności szybko odparowuje podczas wydłużonej eksploatacji, co powoduje konieczność jego okresowego uzupełniania (odświeżania). Prowadzi to z jednej strony do uzupełniania degradowanych w czasie eksploatacji dodatków, a z drugiej strony, odparowanie lekkich frakcji oleju bazowego powoduje stopniowe zwiększanie lepkości takiego oleju. W silniku spalinowym istnieje ścisły związek pomiędzy jego konstrukcją a jakością środka smarującego. Nowoczesny silnik spalinowy wymaga indywidualnego dobrania i stosowania oleju smarującego o odpowiedniej jakości, uwzględniając jego klasę lepkości i biorąc pod uwagę wysokie obciążenia cieplne silnika, ilość gorących i agresywnych gazów spalinowych przedmuchiwanych do skrzyni korbowej, konieczność szybkiej cyrkulacji i efektywnego smarowania w każdych warunkach pracy silnika. Wskutek podwyższonej temperatury pracy nowoczesnych wysilonych silników, ich zwiększonej mocy jednostkowej i stosowanych nowych materiałów konstrukcyjnych oleje silnikowe ulegają przyspieszonej degradacji, tracąc wymagane właściwości użytkowe. Istotną rolę odgrywają również warunki eksploatacji samochodu: krótkie odcinki jazdy samochodem, jazda w korkach ulicznych, częste uruchamianie silnika w niskich temperaturach, przedłużona praca silnika na biegu jałowym itp. Reasumując problem jakości olejów silnikowych, to zagadnienie dotyczy zarówno producentów silników i wytwórców środków smarowych oraz dodatków uszlachetniających te produkty, jak i ogromnej grupy użytkowników środków transportowych.

Janusz Jakóbiec
Grzegorz Wysopal