W artykule scharakteryzowano rolę i znaczenie badań eksploatacyjnych jako warsztatu badawczego w zakresie oceny
właściwości użytkowych paliw silnikowych. Omówiono czynniki kształtujące jakość i kryterium doboru paliw i wpływ warunków pracy silnika podczas eksploatacji samochodu na zmianę właściwości fizykochemicznych środków smarowych.

Wprowadzenie nowoczesnych rozwiązań konstrukcyjnych silnika umieszczonego pod aerodynamicznymi maskami samochodów zajmującymi coraz mniej miejsca, o bardzo wysilonych warunkach pracy tj. wysokich temperatur i dużych mocach z jednostki objętości skokowej oraz nadzwyczaj surową normą emisji, wymaga wielu działań kompleksowych, obejmujących optymalizację procesu spalania paliwa w silniku przez doskonalenie konstrukcji, wprowadzenie systemów ograniczających powstawanie związków toksycznych (np. recyrkulacja spalin), stosowanie wysokoefektywnych układów katalitycznego oczyszczania spalin, paliw reformułowanych i alternatywnych. W okresie eksploatacji samochodów poza paliwem i środkami smarnymi stosuje się jeszcze płyny eksploatacyjne. Zaliczyć tu trzeba płyny do chłodnic, hamulców hydraulicznych, amortyzatorów, termostatów oraz cały szereg preparatów do mycia, pielęgnacji i konserwacji nadwozi pojazdów samochodowych.
Przed laty ocenę ich właściwości użytkowych kształtowano w oparciu o wyniki badań laboratoryjnych i testów silnikowych. W ostatnich latach wysoką rangę w hierarchii ważności tych badań zajmują badania eksploatacyjne z uwagi na charakter i ich specyfikę.
Badania te posiadają wartość dodatkową, która pozwala na wgląd w zachowaniu się przede wszystkim silnika i innych elementów składowych samochodu w okresie eksploatacji.

Charakter i specyfika badań eksploatacyjnych

Charakter i specyfika badań eksploatacyjnych w zakresie oceny paliw silnikowych i środków smarowych powoduje, że zapotrzebowania na tego rodzaju badania są coraz częstsze. Znamienną ich cechą jest wnikliwa ocena właściwości użytkowych tych produktów podczas intensywnej eksploatacji samochodu w rzeczywistych warunkach jazdy miejskiej i autostradowej. Literatura światowa rejestruje równoległe prowadzenie prac naukowo-badawczych z kilku tematów obejmujących okres eksploatacji. Należy podkreślić wysokie koszty tych badań. Dzięki zoptymalizowaniu metod tematów prac badawczych istnieje możliwość znacznego ich zoptymalizowania.
Zakres badań jest zróżnicowany w zależności od rodzaju i kategorii produktu naftowego. Czołowe miejsce wśród tych produktów zajmują paliwa silnikowe, w tym: konwencjonalne, alternatywne (LPG, CNG), a ostatnio biopaliwa oraz oleje smarowe i płyny eksploatacyjne.
W ocenie ich właściwości użytkowych znaczącą rolę przypisuje się badaniom eksploatacyjnym.

Paliwa silnikowe

Podstawowym współczesnym źródłem energii służącym do napędu pojazdów samochodowych są paliwa na bazie ropy naftowej tj. benzyna i olej napędowy. Wśród paliw alternatywnych szerokie zastosowanie w praktyce osiągnął gaz propan-butan, choć ostatnio preferuje się gaz ziemny CNG oraz biopaliwa. Spore nadzieje wiąże się z wykorzystaniem wodoru jako paliwa “najbliższej przyszłości”.
Rozwój benzyn silnikowych uwarunkowany jest głównie względami ekologicznymi i współczesnymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi silników spalinowych, a także stopniowym ograniczeniem zużycia paliwa przez pojazdy samochodowe. Wyznacznikiem postępu w dziedzinie technologii benzyn silnikowych jest poprawa ich parametrów mających implikacje ekologiczne i równoległa poprawa parametrów roboczych silnika pozwalających na zwiększenie dynamiki jazdy samochodu, zmniejszenie zużycie paliwa i zanieczyszczenia środowiska naturalnego, oraz zwiększenia stopnia bezpieczeństwa kierowcy.
Dla konstruktorów silników spalinowych o zapłonie iskrowym i użytkowników pojazdów samochodowych ważnymi cechami benzyn silnikowych są te, które określają ich właściwości eksploatacyjne:
- utworzenie właściwej mieszanki paliwa z powietrzem, w każdych warunkach jazdy samochodu;
- prawidłowy przebieg procesu spalania zapewniający pożądaną elastyczność, moc i trwałość silnika;
- niski stopień zanieczyszczenia środowiska naturalnego emisją spalin;
- bezproblemową i długą eksploatację samochodu.
W praktyce ocenę użytkową benzyn silnikowych przeprowadza się w oparciu o kompleksowe badania, takie jak: laboratoryjne, testy silnikowe (hamowniane) i drogowe. Badania laboratoryjne dotyczą oceny właściwości fizykochemicznych jak: liczba cetanowa, skład frakcyjny, prężność par, wartość opałowa, temperatura zapłonu i samozapłonu, lepkość, zawartość węglowodorów aromatycznych, olefin, zawartość siarki itp. rzutujących na efektywność pracy i trwałość silnika oraz wielkość emisji toksycznych składników spalin wydalanych przez silnik do atmosfery.
Bardzo istotne miejsce w ocenie właściwości benzyn silnikowych zajmują badania drogowe określające właściwości dynamiczne samochodu podczas eksploatacji. Są one wykładnikiem oceny zdolności rozruchowych silnika w różnych warunkach klimatycznych kraju, dają pogląd średniego eksploatacyjnego zużycia paliwa podczas jazdy miejskiej, górskiej i autostradowej oraz właściwości jezdnych samochodu jako zestawu reakcji pojazdu na działanie kierowcy w określonych warunkach eksploatacji.
Ważnym elementem badań eksploatacyjnych jest ocena procesów spalania pod kątem czystości układu dolotowego silnika i komór spalania w okresie eksploatacji samochodu. Dlatego dokonując oceny użytkowej benzyn silnikowych nie sposób pominąć ten istotny parametr jakościowy, jakim jest skłonność do tworzenia osadów.
Pomimo, że parametr ten nie jest oceniany w obowiązujących specyfikacjach dla benzyn silnikowych, to jest podmiotem szczególnego zainteresowania producentów paliw i wytwórców środków smarowych dla przeciwdziałania tego zjawiska. Osady te są szczególnie niebezpieczne w nowoczesnych silnikach benzynowych o bezpośrednim wtrysku paliwa wyposażonych w skomplikowane urządzenia elektroniczne. Mechanizm ich powstawania najlepiej jest zaprogramować w oparciu o badania eksploatacyjne.
Osady tworzące się na zaworach dolotowych zaburzają przepływ mieszanki paliwowo-powietrznej, mieszanka spala się w sposób niepełny, zawory nie zamykają szczelnie komory spalania, podczas suwu pracy silnik traci moc zwłaszcza przy wysokich obrotach. W komorze spalania stanowią izolację izotermiczną, pogarszają chłodzenie silnika, a tym samym wywołują wzrost temperatury w komorze spalania, co może sprzyjać zjawisku spalania detonacyjnego lub stać się przyczyną przedwczesnego zapłonu. Należy podkreślić, że wysoko wyspec-jalizowane jednostki naukowo-badawcze, w tym Instytut Technologii Nafty w Krakowie – ocenę właściwości benzyn silnikowych pod kątem zdolności do zapobiegania tworzenia się osadów na zaworach dolotowych i komorze spalania silnika – przeprowadzają na specjalnych silnikach badawczych np. Mercedes M102E i Mercedes M111 zgodnie z obowiązującymi procedurami CEC F-05-A-983 i CEC F-20-A-98.
Podstawowym kryterium oceny implikacji ekologicznych benzyn jest pomiar emisji toksycznych składników spalin (CO, HC, NOX i CO2) wydalanych przez silnik do atmosfery na hamowni podwoziowej typu Schenck wg cyklu jezdnego NEDC (UDC + EUDC) zgodnie z wymaganiami Regulaminem ECE 70/2000 i Dyrektywą 2003/76.
Cenną dewizą badań eksploatacyjnych benzyn silnikowych jest rozeznanie bardzo ważnego problemu dotyczącego “kompatybilności” tj. wzajemnego oddziaływania dodatków uszlachetniających zawartych w paliwie i dodatków uszlachetniających zawartych w oleju silnikowym. Reasumując można powiedzieć, że stosowanie niewłaściwego paliwa niezgodnego z wymaganiami przyjętymi przez konstruktora (producenta silnika) może spowodować wzrost jego zużycia przez silnik, zwiększoną emisję toksycznych składników spalin, obniżenie własności dynamicznych samochodu i skrócenie żywotności silnika.

Olej silnikowy

Czołowe miejsce w pakiecie badań eksploatacyjnych zajmuje olej silnikowy stanowiący integralny element konstrukcyjny silnika. Oprócz swojej podstawowej funkcji, jaką jest smarowanie, pełni rolę czynnika chłodzącego, zmywającego i uszczelniającego.
W związku z tym olej silnikowy powinien posiadać następujące cechy:
- zdolność do zmniejszenia tarcia;
- odporność na utlenianie;
- przeciwdziałanie tworzenia się osadów;
- zapobieganie korozji i zużycia części silnika;
- zmniejszenie zużycia paliwa;
- zdolność do intensywnego odprowadzenia ciepła powstałego w czasie pracy silnika;
- dobrą odporność na pienienie;
- zmniejszenie jego zużycia;
- dostateczną wytrzymałość filmu olejowego na duże naciski.
Ponadto coraz to większą uwagę przywiązuje się do ograniczenia zużycia paliwa poprzez redukcję tarcia. Podstawową metodą jest tu stosownie tzw. olejów niskolepkościowych. Liczba silników przystosowanych do takich środków smarowych ciągle rośnie i uwarunkowana jest postępem w rozwoju ich konstrukcji.
W ostatnich latach obserwuje się w kraju dynamiczny rozwój rynku gazu płynnego propan-butan jako nośnika napędu pojazdów samochodowych. Specyficzne właściwości paliwa LPG w stosunku do benzyn powodują szereg różnic w procesie spalania jak również zmianę warunków smarowania elementów silnika, a zatem odmienny wpływ na jego zużycie.
Stosowanie przez użytkowników pojazdów samochodowych paliwa gazowego LPG postawiło przed producentami środków smarowych nowe wyzwania: opracowanie oleju smarującego gwarantującego bezawaryjną pracę silnika w obecności pochodnych spalania gazu propan-butan przy jednoczesnym spełnieniu wszystkich wymagań dla silników zasilanych benzyną. Kompozycja oleju przeznaczonego do smarowania silników zasilanych gazem LPG wymaga więc istotnych zmian, co jest szczególnie ważne w przypadku stosowania nowej generacji oleju.
Musi on zawierać starannie dobrany olej bazowy mineralny lub syntetyczny, uszlachetniony nowoczesnym pakietem dodatków. Daje to gwarancję poprawnego smarowania niezależnie od tego, czy silnik zasilany jest benzyną czy gazem – “kompatybilność”. Tą gwarancją, dla całej grupy olejów silnikowych zarówno benzynowych jak i gazowych, są zadowalające wyniki badań eksploatacyjnych. Badania te są prowadzone od kilkunastu lat w Instytucie Technologii Nafty w Krakowie. Pozwalają na wnikliwą ocenę jego zachowania w silniku podczas intensywnej eksploatacji samochodów obejmującej jazdę miejską i autostradową w różnych warunkach klimatycznych kraju.
W tych warunkach olej silnikowy podlega oddziaływaniu wysokiej temperatury, tlenu z powietrza w obecności katalitycznie oddziałujących metali, z którymi jest w kontakcie z gazami spalinowymi i niekorzystnych warunków pracy silnika (niska temperatura i jazda miejska).
W wyniku tych działań następują w oleju zmiany budowy chemicznej niektórych jego składników, a co za tym idzie, zmiany jego własności fizykochemicznych, rzutujące na właściwości użytkowe, aż do utraty zdolności do wypełnienia jego funkcji.
Wieloletnie doświadczenia w zakresie prowadzenia badań eksploatacyjnych olejów silnikowych, w tym gazowych pozwalają na stwierdzenie, że określone parametry i warunki pracy silnika wywołują zmiany właściwości fizykochemicznych tego produktu. W wyniku degradacji oleju następuje:
- zmiana zabarwienia;
- zwiększenie liczby kwasowej;
- obniżenie liczby zasadowej;
- zmiana lepkości;
- zwiększenie zawartości cząstek stałych (zanieczyszczeń mechanicznych)
- nasilenie powstania szlamów , osadów i laków.
Dalszy proces degradacji oleju prowadzi na ogół do stopniowego naruszenia stanu technicznego silnika.
Bardzo ważnym zagadnieniem dotyczącym poprawnej pracy silnika jest właściwy dobór oleju smarującego, który w zasadzie powinien być rozstrzygnięty jeszcze na etapie projektowania silnika z uwzględnieniem rodzaju paliwa. Od strony standardów certyfikacji jakościowej wybór ten powinien być oparty o wyniki badań laboratoryjnych, testów silnikowych, badań eksploatacyjnych z uwzględnieniem wzorcowego paliwa. Są one końcowym etapem i być może najważniejszym w jego ocenie użytkowej.

Janusz Jakóbiec
Grzegorz Wysopal
Instytut Technologii Nafty - Kraków