Wpływ zużycia na zanieczyszczenia silnika w okresie eksploatacji

Nieustanny pęd do zwiększania niezawodności silników samochodowych, zmniejszenia zużycia środków smarowych i paliw, a więc obniżenia kosztów eksploatacji, powoduje ciągle podwyższenie wymagań w stosunku do parametrów jakościowych wytwarzanych olejów smarowych.

Znajdujący się w obiegu olej jest stale narażony na działanie wielu czynników jak np. wysoka temperatura, duże ciśnienie, które w znamienny sposób przyspieszają proces jego utleniania i rozkładu, czyli, stopniową degradację. Klienci oczekują w swoim samochodzie silnika nowoczesnego, oszczędnego, trwałego i zapewniającego dobre osiągi przez cały okres eksploatacji oraz wydłużonych okresów wymian oleju silnikowego. Odpowiednia jakość oleju silnikowego jest niezbędnym warunkiem sprawnej i długotrwałej pracy silnika spalinowego. Oczekiwaniom tym starają się sprostać producenci samochodów i wytwórcy środków smarowych, traktując olej silnikowy jako istotny element konstrukcyjny silnika.
Zadania postawione przed technologami i producentami olejów smarowych sprowadzają się w chwili obecnej do nastepujacych zagadnień:
- oleje energooszczędne – zmierzające do zmniejszenia oporów tarcia, a co za tym idzie zmniejszenia zużycia paliwa oraz ułatwienia rozruchu silnika w niskich temperaturach;
- oleje o wydłużonym okresie eksploatacji między kolejnymi wymianami;
- oleje zapewniające czystość silnika w okresie eksploatacji;
- oleje przyjazne dla środowiska – zmniejszona emisja spalin.
Reasumując problem jakości olejów silnikowych należy podkreślić, że jest to zagadnienie dotyczące zarówno producentów silników, wytwórców środków smarowych i dodatków uszlachetniających te produkty, jak i ogromnej grupy użytkowników środków transportowych.

Zmiany właściwości użytkowej olejów
Odpowiednia jakość oleju silnikowego jest niezbędnym warunkiem sprawnej i długotrwałej pracy silnika spalinowego. Należy podkreślić, że olej silnikowy oprócz swojej podstawowej funkcji, jaką jest smarowanie musi również spełniać rolę czynnika chłodzącego, zmywającego i uszczelniającego. Ponadto powinien posiadać następujące cechy:
- zdolność do zmniejszania tarcia;
- odporność na utlenianie;
- przeciwdziałanie tworzeniu się osadów;
- zapobieganie korozji i zużyciu części silnika;
- zmniejszanie zużycia paliwa;
- zwiększanie wytrzymałości filmu olejowego na duże naciski;
- zdolność do intensywnego odprowadzania ciepła powstałego w czasie pracy silnika;
- dobrą odporność na pienienie;
- zmniejszanie jego zużycia.
Wskutek podwyższonej temperatury pracy nowoczesnych wysilonych silników, ich zwiększonej mocy jednostkowej i stosowanych nowych materiałów konstrukcyjnych, mniej odpornych na korozję, oleje silnikowe łatwo się utleniają, tracą wymagane właściwości i wytwarzają niepożądane dla silnika produkty starzenia.

Procesy utleniania oleju
Oleje utleniają się w silniku wskutek działania tlenu zawartego w powietrzu. Tlen łatwo reaguje z pewnymi składnikami oleju, dając w pierwszej fazie utleniania nadtlenki, które są związkami nietrwałymi i szybko się rozkładają. W dalszych fazach procesu utleniania powstaje wiele innych związków, jak kwasy, żywice, asfalteny, karbony, karbidy itp.
Charakter tworzących się produktów i intensywność reakcji utleniania zależą od składu chemicznego oleju, od czasu stykania się go z powietrzem oraz od temperatury. Spośród różnych produktów utleniania bardzo niebezpieczne działanie wykazują kwasy organiczne, które w sprzyjających warunkach wywołują korozję części składowych silnika. Do zobojętnienia kwaśnych substancji powstałych w okresie eksploatacji znaczącą rolę odgrywa całkowita liczba zasadowa. Poza kwasami, w oleju powstaje wiele innych produktów utleniania, które nie rozpuszczają się w nim i w postaci osadów gromadzą się na częściach silnika lub krążą wraz z olejem w układzie smarowania.
Jak już wspomniano, olej smarujący podczas pracy zmienia swoje właściwości fizykochemiczne na skutek starzenia się. Zmiany te są spowodowane zarówno procesami chemicznymi, którym ulegają składniki oleju, jak i wpływem zanieczyszczeń przedostających się do oleju w okresie eksploatacji. Zewnętrznymi objawami starzenia się oleju są:
- zmiana zabarwienia (silne ściemnienie);
- zwiększenie lub zmniejszenie lepkości;
- charakterystyczny zapach obecności paliwa;
- zawartość ciemnych skoksowanych osadów.
Zmiana lepkości kinematycznej, a zwłaszcza jej spadek w początkowym okresie eksploatacji oleju przy optymalnej sprawności technicznej silnika może być wywołana ścinaniem mechanicznym modyfikatora lepkości. Zjawisko to określone jest procesem destrukcji modyfikatora lepkości. Zmniejszenie lepkości ma również miejsce podczas rozcieńczenia oleju paliwem. Natomiast zwiększenie lepkości jest przypisane zachodzącym głębokim procesom starzenia oleju, w wyniku zanieczyszczenia pierwiastkami metali pochodzącymi ze zużycia elementów silnika i ich związków chemicznych - tabl. 1. Odpowiednia lepkość oleju jest gwarantem poprawnego smarowania silnika w różnych warunkach otoczenia. Ponadto od jej wartości zależy powstanie trwałego filmu olejowego między współpracującymi częściami silnika (tab. 1).
Najbardziej aktywnymi katalizatorami utleniania są miedź, ołów, żelazo i mangan. Wiele metali nie wpływa w ogóle na przyspieszenie procesów utleniania oleju (np. aluminium, cyna), a niektóre związki tych metali nawet hamują wymienione procesy.

Osady w silnikach samochodowych
Zarówno paliwa, jak i oleje smarujące są dostawcami szkodliwych osadów, które odkładają się na różnych częściach silnika w okresie eksploatacji pojazdu samochodowego. Dlatego problem osadów w silniku należy rozpatrywać w układzie: silnik - paliwo - olej smarujący. Jakość paliwa i oleju odgrywają bardzo poważną rolę w tworzeniu się osadów, jednakże ilość i charakter powstających osadów w dużym stopniu zależą również od innych czynników, a mianowicie od konstrukcji, stanu technicznego i warunków pracy silnika. Wpływ konstrukcji silnika na intensywność tworzenia się osadów, przejawia się przede wszystkim w budowie komory spalania. Istotna jest też budowa układu chłodzenia, system przewietrzania skrzyni korbowej, sprawność działania filtrów oleju, sposób rozmieszczenia zaworów i dobór materiału na części silnika. Doświadczenia wykazały, że przy złym stanie technicznym silnika wytwarza się znacznie więcej lepkich, żywicznych osadów niż w silnikach nowych. Przyczyną tego są większe luzy między tłokiem a cylindrem, przez które przedostają się do miski olejowej większe ilości przedmuchanych z komory spalania gazów, zawierających produkty niepełnego spalania paliwa. Produkty te łączą się z olejem, wodą i innymi zanieczyszczeniami, tworząc lepkie, maziste osady gromadzące się w skrzyni korbowej, w komorze popychaczy, w filtrach i w przewodach olejowych. Zależnie od warunków eksploatacji, a głównie od temperatury pracy silnika, tworzące się osady mają różny charakter i właściwości, jak również różne są przyczyny ich powstawania.
W praktyce eksploatacyjnej taboru samochodowego problemy starzenia się oleju silnikowego można zauważyć często w oparciu o stopniowe zanieczyszczenia części silnika, jak:
- głowica silnika;
- pokrywa głowicy;
- pokrywa mechanizmu rozrządu;
- zewnętrzna powierzchnia płaszczy tłoków;
- wewnętrzna powierzchnia płaszczy tłoków;
- pierścienie tłokowe.
Gromadzące się w nich szkodliwe substancje stanowią charakter kwasów, żywic i osadów węglowych. Dla zilustrowania problemu na fot. 1 przedstawiono zanieczyszczoną pokrywę głowicy silnika samochodu osobowego po przebiegu eksploatacyjnym 30 tys. km, oleju silnikowego półsyntetycznego SG SAE 10W/40.
Nieustanny postęp w rozwoju konstrukcji silników samochodowych, w tym technologii węzła ciernego
(T-C-P) - małe luzy montażowe są sprzymierzeńcem wzrostu temperatury przy jednoczesnym zmniejszeniu grubości filmu olejowego, w następstwie czego wytrącają się osady produktów zużycia oleju smarującego.
Na ogół osady te są o charakterze lakowym i zabarwieniu jasnożółtym lub szarym, a pojawiają się na zewnętrznej powierzchni piasty tłoka i części pierścieniowej silnika samochodu. Ich nasilenie zauważa się na ogół w węzłach ciernych silników nowej generacji - fot. 2 i 3.

Fot. 1 Ilustracja osadów olejowych w pokrywie głowicy silnika samochodu osobowego po przebiegu eksploatacyjnym 30 tys. km oleju smarującego półsyntetycznego SG SAE 10W/40.


Fot. 2. Widok zanieczyszczenia progu ogniowego i części pierścieniowej tłoka silnika samochodowego po przebiegu eksploatacyjnym 30 tys. km oleju silnikowego półsyntetycznego SG SAE 10W/40.

Fot. 3 Ilustracja osadów olejowych na zewnętrznych powierzchniach piasty tłoków smarowanych olejem silnikowym półsyntetycznym SG SAE 10W/40 po przebiegu eksploatacyjnym 30 tys. km.

Poziom zanieczyszczeń zewnętrznych powierzchni piasty tłoków podczas badań eksploatacyjnych oleju silnikowego określa się wg normy PN-79/C-04173, w oparciu o ocenę punktową w dziesięciopunktowej skali. Ocena 10 punktów jest oceną maksymalną, świadczącą o braku zanieczyszczeń, zaś 0 dowodzi o maksymalnym zanieczyszczeniu (czarny lak). W podobny sposób oceniane są wewnętrzne powierzchnie piasty tłoków. Ocenę przeprowadza się wg normy PN-73/C-04158 dla każdego tłoka oddzielnie, a za wynik końcowy przyjmuje się średnią arytmetyczną wyników zanieczyszczenia, ocenianej powierzchni piasty tłoków. Wyniki oceny punktowej stopnia zanieczyszczenia tłoków po przebiegu eksploatacyjnym oleju silnikowego klasy SG SAE 10W/40 zamieszczono w tabl. 2.

Tablica 1. Właściwości fizykochemiczne oleju silnikowego mineralnego klasy SG SAE 15W/40 i zawartość pierwiastków metali ze zużycia silnika w okresie eksploatacji.

Tablica 2. Ocena punktowa stopnia zanieczyszczenia zewnętrznych i wewnętrznych powierzchni płaszczy tłoków silnika samochodu osobowego po przebiegu eksploatacyjnym 30 tys. km oleju silnikowego półsyntetycznego klasy SG SAE 10W/40.

Tablica 3. Ocena punktowa stopnia unieruchomienia pierścieni tłokowych silnika samochodu osobowego po przebiegu eksploatacyjnym 30 tys. km oleju silnikowego SG SAE 15W/40.

Oceną objęte są również pierścienie tłokowe pod kątem stopnia unieruchomienia i przeprowadza się ją wg normy PN-73/C-04158, oddzielnie dla pierścieni uszczelniających, uszczelniająco-zgarniających oraz zgarniających. Za ocenę ostateczną przyjmuje się średnią arytmetyczną ocenę stopnia unieruchomienia wszystkich pierścieni uszczelniających i oddzielnie dla zgarniających. Wyniki takiej oceny zamieszczono w tabl. 1.
Bardzo ważną rolę w tworzeniu się osadów odgrywają warunki pracy silnika. Wbrew dawnej opinii jakoby praca silnika w ciężkich warunkach, tzn. z dużą prędkością obrotową, dużym obciążeniem i wysoką temperaturą, najbardziej sprzyjała zanieczyszczeniu silnika osadami, w rzeczywistości za najgorsze warunki eksploatacyjne należy uznać niską temperaturę pracy silnika, małe obciążenie, częste zatrzymywanie i uruchomienie silnika, czyli typowe warunki jazdy miejskiej. Podstawową przyczyna tworzenia się osadów w niskich temperaturach jest przechłodzenie silnika.
Zachodzące w okresie eksploatacji oleju silnikowego procesy starzenia się, czyli degradacji, powodują zmianę jego właściwości fizykochemicznych i zwiększoną ilość osadów w silniku. Zmiany te są spowodowane zarówno procesami chemicznymi, którym ulegają składniki oleju, jak też wpływem zanieczyszczeń przedostających się do oleju (metali pochodzących ze zużycia silnika) w warunkach eksploatacji. Widocznymi skutkami starzenia się oleju są również gromadzące się w nim szkodliwe substancje o charakterze kwasów, żywic i osadów węglowych. W praktyce badawczej odporność oleju na utlenianie oceniana jest przez wytwórców środków smarowych na podstawie liczby kwasowej, zaś o zobojętnienia kwaśnych substancji w oparciu o poziom całkowitej liczby zasadowej akceptowalnej przez producentów silników (benzynowych) oraz wyglądu niektórych części silnika.
Bardzo istotną rolę w tworzeniu się osadów odgrywają warunki pracy silnika. Nasilenie tych procesów może prowadzić do stopniowej utraty sprawności technicznej silnika włącznie z jego unieruchomieniem.
Współczesne silniki samochodowe o mniejszych rozmiarach narażone są na większe obciążenia cieplne i mechaniczne, wymagają zastosowań nowoczesnych olejów silnikowych zapewniających nie tylko właściwe smarowanie, ale i dostateczną czystość silnika. Wymaganiom tym mogą sprostać nowoczesne syntetyczne bazy olejowe i uzupełniane szeroko rozumianym pakietem dodatków uszlachetniających.

Janusz Jakóbiec Grzegorz Wysopal Instytut Technologii Nafty - Kraków