Paliwa i oleje

Środki smarne muszą charakteryzować się różnymi właściwościami, zależnie od przeznaczenia i zastosowania. W dalszej części przyjrzymy się wymaganiom, jakie przed smarami i olejami stawiają najbardziej popularne konstrukcje techniczne.

Na podstawie Oleje i smary motoryzacyjne firmy Mobil
Artykuł pochodzi z publikacji "Oleje Silnikowe", wydanie 2013

Olej spełnia następujące funkcje w silniku:

• ograniczenie tarcia i zużycia mechanicznego,
• chłodzenie,
• uszczelnienie,
• utrzymanie czystości poprzez wiązanie zanieczyszczeń,
• zapobieganie korozji.

Głównym zadaniem oleju jest zmniejszenie tarcia i mechanicznego zużycia ruchomych elementów silnika. Niezależnie od warunków użytkowania olej musi tworzyć na pokrytych nim powierzchniach trwałą, odpowiednio grubą warstwę (film olejowy), której rolą jest zapobieganie bezpośredniemu ich stykowi. Zadaniem oleju jest spowodowanie wystąpienia zjawiska tarcia półpłynnego lub płynnego.

Olej wpływa także na chłodzenie części mechanicznych. W przypadku silnika spalinowego przenosi ciepło odbierane ze smarowanych powierzchni i całego układu smarowania do miski olejowej, gdzie jest schładzany.

Dla utrzymania ekonomicznej i niezakłóconej pracy silnika ważne jest, by zachowywał on odpowiednią temperaturę. Olej spełnia także rolę uszczelniającą przestrzenie pomiędzy pierścieniami tłokowymi a gładzią cylindra. Zapewnia to utrzymanie w cylindrze odpowiednich ciśnień i właściwą pracę. Bardzo wysoka temperatura w okolicach pracujących tłoków wpływa na obniżenie lepkości oleju. Olej musi zatem mieć wystarczająco wysoki wskaźnik lepkości, aby uszczelnić wszystkie luzy. Środek smarny powinien także gwarantować zachowanie czystości silnika. Olej dobrej jakości rozbija stałe produkty powstałe podczas procesu spalania na drobne cząsteczki i wiąże je ze sobą. Dzięki temu nie tworzą one przywierającej do powierzchni sadzy ani nie zostawiają szlamu krążącego w układzie. Wysokie temperatury występujące w silniku wymagają także bardzo dużej odporności oleju na utlenianie.

Ponadto olej neutralizuje kwasy powstające z procesów spalania, wody i innych zanieczyszczeń, w wyniku czego zapobiega rozwojowi procesów korozji smarowanych elementów.

Przekładnie układów napędowych
Olej użyty do smarowania przekładni, stosowanych jako elementy układu napędowego, ma zadanie podobne do oleju silnikowego. Ma wpływać na zmniejszenie tarcia i zużycia powierzchni, w związku z czym musi posiadać odpowiednią lepkość i odporność na utlenianie. Ponadto olej w przekładniach powinien zapobiegać korozji elementów, a także tłumić hałas towarzyszący ich pracy. W kołach zębatych, gdzie zwykle występuje duże tarcie, olej musi je minimalizować. W automatycznych skrzyniach biegów olej musi oprócz ww. właściwości posiadać zdolność do przenoszenia odpowiednich momentów obrotowych. Poza tym od oleju stosowanego do smarowania przekładni automatycznych oczekuje się zdolności do ograniczania tarcia przy zmieniającej się prędkości pracy układu.

Układy hydrauliczne
W układach hydraulicznych głównym zadaniem oleju jest przenoszenie siły. Ponadto olej zapewnia smarowanie części ruchomych, uszczelnia, chłodzi i chroni przed korozją. Cele te łączą się z całym szeregiem wymagań, do których powrócimy przy okazji omawiania stosownej klasyfikacji.

Smary plastyczne
Szczególnie dużej ilości smarów plastycznych używa się w samochodach ciężarowych. Zmniejszenie tarcia i ścierania powierzchni współpracujących elementów jest ich najważniejszą funkcją. Ponadto smary mają chronić powierzchnie narażone na korozję, jak również uszczelniać miejsca szczególnie narażone na działanie wilgoci, kurzu i innych zanieczyszczeń.

Zimny rozruch silnika
Chłodniejsze pory roku nakładają na stosowane w samochodach środki smarne dodatkowe wymagania. Przy uruchamianiu silnika w niskiej temperaturze ważny jest stan techniczny samego silnika, jak i jego osprzętu (np. urządzeń zapłonu i rozruchu, układu zasilania). Jeśli wszystko jest sprawne, to o powodzeniu szybkiego uruchomienia zimnego silnika decyduje wyłącznie liczba obrotów, która zależy praktycznie od dwóch elementów: sprawności akumulatora i lepkości oleju silnikowego.

Jak wcześniej wspominaliśmy, lepkość oleju podlega wahaniom. Przy spadku temperatury lepkość rośnie. Im bardziej lepki olej, tym większy opór, jaki stawia ruchomym częściom silnika. W rezultacie przy gęstym oleju silnikowym liczba obrotów silnika spada, co przysparza więcej problemów podczas próby jego uruchomienia. Początkowa prędkość, z jaką silnik powinien się obracać, to co najmniej 70-80 obrotów na minutę.

Zamieszczony wykres pokazuje wpływ lepkości na liczbę obrotów silnika podczas jego uruchamiania. Z wykresu wynika, że np. w temperaturze -30°C olej Mobil 1 0W-40 pozwala na osiągnięcie 130 obr./min., olej SAE 10W około 80 obr./min., SAE 20 zaś 10 obr./min.

Silnik musi być uruchamiany nawet na silnym mrozie, olej wypełnia swe zadania w każdych warunkach pogodowych. Jeżeli lepkość oleju jest zbyt wysoka, jego przepompowanie przez układ smarowania silnika trwa znacznie dłużej niż oleju o niższej klasie lepkości i również znacznie dłużej niż w temperaturach dodatnich. Niedostateczne smarowanie może stać się przyczyną poważnych uszkodzeń, które nie są może dostrzegalne natychmiast, ale po pewnym czasie ujawniają się w postaci np. nadmiernego zużycia oleju silnikowego, niskiego ciśnienia sprężania i spadku mocy silnika.

Zapewnienie łatwego rozruchu silnika w niskich temperaturach i zapewnienie mu efektywnego smarowania natychmiast po rozpoczęciu pracy wymaga odpowiedniej lepkości oleju silnikowego. Przy zastosowaniu olejów SAE 10W, SAE 10W-30 i SAE 10W-40 silnik może być, jeśli uwzględnić wyłącznie smarowanie, uruchomiony już w temperaturze -25°C. Najniższą temperaturą skutecznego rozruchu dla olejów SAE 20 jest temperatura -15°C, a SAE 30 około -5°C. Granicą stosowalności w pełni syntetycznego oleju Mobil 1 0W-40 jest -45°C. Temperatury uwzględniają +5°C doliczone do granicy pompowalności SAE.

Oszczędność paliwa
Jak wcześniej zostało wspomniane, głównym zadaniem oleju jest zmniejszenie tarcia i zużycia powierzchni. Zbyt silne tarcie współpracujących elementów powoduje spadek mocy silnika. Ogólnie można przyjąć, że spadek ten, spowodowany tarciem, wynosi około 10%. Zwiększona lepkość olejów silnikowych również wiąże się z kolejnymi stratami. Przeciwstawienie się tym tendencjom wymaga doboru olejów pod kątem odpowiednich właściwości, czego efektem z pewnością będą realne oszczędności paliwa. Większość olejów syntetycznych charakteryzuje się znacznie zwiększonymi własnościami ograniczającymi tarcie w każdych warunkach termicznych, dlatego sięganie po nie skutecznie zapobiega stratom mocy silnika i korzystnie wpływa na koszty eksploatacji pojazdu.

Przeprowadzone badania pozwoliły ustalić, że napełnianie układu olejem Mobil 1 0W-40 pomaga oszczędzić przeciętnie 4% paliwa. W przypadku niskich temperatur oszczędności te są jeszcze bardziej znaczące. Podobne straty mocy w takich warunkach powoduje olej gęstniejący w przekładniach i w układzie przeniesienia napędu. Zwykły olej mineralny może się zamienić w ciało stałe już przy -10°C. Stąd wniosek, że stosowanie również w tym przypadku olejów syntetycznych przyczynia się do oszczędności paliwa. Korzystanie z oleju syntetycznego daje w zimie oszczędności rzędu 10-15% ogólnych kosztów eksploatacji pojazdu, co przy jednorazowej wymianie oleju przekłada się na około 400 złotych*. Oszczędności są tym większe, im niższa jest temperatura i im krótsze są odległości pokonywane przez samochód (częsta, krótka jazda na zimnym silniku).

Zmienne warunki eksploatacji
Funkcjonowanie pojazdów i maszyn niezależnie od warunków eksploatacji nie może budzić obaw o ich stan techniczny. Samochody wykorzystywane bywają w rożny sposób, np. do krótkiej jazdy po mieście, długich i szybkich podroży po autostradach, przewożenia ciężkich ładunków, jak również do poruszania się w trudnym terenie.

W trakcie krótkich przejazdów miejskich (zwłaszcza zimą) silnik jest niemal ciągle niedogrzany. Paliwo nie jest więc spalane w sposób całkowity i w związku z tym powstaje więcej niż zwykle ubocznych produktów spalania w postaci pozostałości, czyli cząstek stałych. Jak już wspomniano wcześniej, jedną z funkcji oleju silnikowego jest wychwytywanie i wiązanie zanieczyszczeń, co wpływa z kolei na zanieczyszczenie samego oleju. W zimie do oleju dostaje się też większa ilość wody. Wszystkie ciała obce, które mieszają się z olejem, są szkodliwe, a ich pojawianiu się nie można w pełni zapobiec. Rozwiązaniem, które pozwala kontrolować ich szkodliwy wpływ – czyli rozwój korozji, gromadzenie się sadzy i szlamu – jest korzystanie z oleju wysokiej jakości i regularna jego wymiana.

Temperatura oleju silnikowego podczas pracy silnika waha się między +80°C a +130°C. Długie obciążenie ładunkiem lub wysokie obroty mogą jednak wpłynąć na znaczący jej wzrost. Wysoka temperatura pracy silnika wymaga od oleju dobrej odporności na utlenianie i wystarczająco wysokiej lepkości. Lepkość nie może spadać poniżej 6 mm2/s.

Na przykład olej SAE 10W osiąga granicę 6 mm2/s przy około +100°C, a wielosezonowy olej SAE 10W-40 w temperaturze +140°C. Zbyt cienką warstwę oleju można w praktyce rozpoznać, gdy mamy do czynienia z szybkim ubywaniem oleju oraz rosnącą temperaturą wewnątrz silnika. Świadczy to o zużyciu współpracujących powierzchni i grozi ich zatarciem. Zakres stosowania oleju samochodowego o określonej lepkości uzależniony jest zatem od tego, jakie są wymagane parametry zimowego rozruchu i jaka jest najniższa dozwolona lepkość.

Zużycie oleju
Zużycie oleju w obiegu silnika jest zjawiskiem naturalnym, którego nie da się uniknąć. Olej smaruje m.in. tłoki, pierścienie tłokowe, gładzie cylindrów, elementy rozrządu i łożyska. Poprzez odpowiednią konstrukcję tłoków i pierścieni tłokowych olej dostaje się na powierzchnię gładzi cylindra, gdzie oprócz funkcji smarującej pełni również rolę uszczelniacza pomiędzy tłokiem a cylindrem. W fazie suwu pracy, kiedy tłok porusza się w dół, warstwa oleju pozostającego na gładzi cylindra nad nim ulega spaleniu. Niewielkie ilości oleju silnikowego dostają się również do komory spalania od góry i pochodzą z prowadnic zaworów. Jest to zjawisko niepożądane i jego występowanie zależy wyłącznie od luzów między prowadnicami a trzonkami zaworów. Ten olej również zostaje spalony.

1. Stan silnika. Im dłużej trwa eksploatacja silnika, tym większe jest mechaniczne zużycie jego elementów. Zwykle objawia się to powiększonymi luzami, a to z kolei skutkować musi zwiększonym zużyciem oleju silnikowego, który w większych ilościach zostaje po prostu spalany. Ponadto w mocno wyeksploatowanych silnikach często zdarzają się także wycieki zewnętrzne, które jeszcze bardziej pogarszają bilans zużycia oleju. Wyciek jednej kropli oleju na 30 metrach przebytej drogi zamienia się po 1000 km w cały litr.

2. Lepkość i parowanie oleju. Lepkość i parowanie oleju mają duży wpływ na jego zużycie. Jak pokazuje ilustracja, im cieńsza warstwa oleju, tym więcej się go przedostaje do komory spalania. „Odchudzanie” filmu olejowego przyczynia się także do większych wycieków. W przypadku oleju mineralnego wpływ na jego zużycie ma także parowanie niskich jego frakcji. Zdolność do parowania wiąże się z kolei ze składem olejów bazowych, ich lepkością i temperaturą. Parowaniu sprzyjają wysokie temperatury. Zjawisko parowania w mniejszym stopniu dotyczy olejów syntetycznych, stąd mniejsze ich zużycie w porównaniu z olejami mineralnymi tej samej klasy SAE.

3. Eksploatacja i warunki eksploatacji. Niewątpliwy wpływ na zużycie oleju mają również sposób i technika jazdy. Wysokie obroty silnika zwiększają jego zużycie, ponieważ więcej oleju dostaje się na gładzie cylindra, a pierścienie tłokowe nie są w stanie dokładnie go stamtąd usunąć. Dlatego większa ilość oleju zostaje spalona. Częste hamowanie silnikiem również zwiększa zużycie oleju, który, jak zostało wcześniej wspomniane, dostaje się do komory spalania przez kanały wlotowe. Przeciążenie pojazdu ładunkiem powoduje również zwiększone zużycie oleju, głównie w wyniku wzrostu temperatury.

Zimą musimy korzystać z systemu wzbogacania mieszanki, tzw. „ssania”. Jeśli urządzenie to włącza się automatycznie, na krótkich odcinkach, kiedy silnik nie osiągnie założonej przez konstruktora temperatury, prawie się nie wyłącza. Część „nadwyżki” paliwa miesza się z olejem, skutkując jego rozcieńczeniem. Rosnąca temperatura sprawia, że większa część paliwa potem paruje, pozostawiając dodatkowe wrażenie zużycia oleju.

4. Kontrola poziomu oleju. Ponieważ wiele czynników wpływa na zużycie, ubytki oleju (lepkość, temperatura, jakość stosowanego paliwa, stan silnika, sposób jazdy), co jakiś czas (500 km) powinno dokonywać się kontroli poziomu oleju, a na tej podstawie oceny ubytku oleju i uzupełnienia poprzez dolewkę. Dokonując kontroli, należy zwrócić uwagę na czas, w jakim olej spływa do miski olejowej. Poziomu oleju nie sprawdza się tuż po zatrzymaniu silnika, ponieważ cały olej nie zdąży wtedy jeszcze spłynąć do miski. Przy dolewce pamiętać trzeba, że nie jest korzystne dla silnika, jeśli poziom oleju jest zbyt wysoki. Istnieje wtedy duże prawdopodobieństwo uszkodzenia uszczelnień bądź nadmiernego spalania oleju silnikowego wpływającego także na żywotność katalizatorów.