Paliwa i oleje

Nowoczesne oleje silnikowe to zaawansowane technologicznie produkty, spełniające rygorystyczne wymagania w zakresie właściwości fizykochemicznych i rzeczywistych osiągów. 

W odniesieniu do właściwości fizykochemicznych należy przede wszystkim wspomnieć o lepkości lub dokładniej o kilku parametrach lepkościowych, wymaganych przez system klasyfikacji SAE J300, obejmujących lepkość kinematyczną (w temp. +40°C i +100°C) i CSS (-35°C dla 0W, -30°C dla 5W, -25°C dla 10W, -20°C dla 15W i -15°C dla 20W).
Drugim ważnym parametrem jest lotność (inaczej odparowalność) Noacka, opisująca tendencję oleju do odparowywania w wysokich temperaturach. Następnie jest to całkowita liczba zasadowa (TBN) odnosząca się do tzw. rezerwy zasadowości w oleju (mówiąc bardziej obrazowo, TBN określa zdolność oleju do neutralizacji kwaśnych produktów spalania).
Bufor alkaliczności służy do neutralizacji kwasów powstających w wyniku procesów utleniania, zwłaszcza spalania paliw, szczególnie w przypadku stosowania niskiej jakości paliwa o wysokiej zawartości siarki oraz utleniania oleju. Ilość kwasów w oleju jest opisana inną liczbą, znaną jako całkowita liczba kwasowa (TAN), mierzona zgodnie z ASTM D 664. Wraz ze starzeniem się oleju TBN stopniowo spada wraz ze wzrostem TAN. W pewnym momencie, określanym mianem punktu zrównoważenia TBN/TAN (TBN/TAN crossover), wartości te stają się takie same. W tym momencie ochrona silnika przed korozją ulega znacznemu pogorszeniu i konieczna jest wymiana oleju. O ile nie stosuje się słabej jakości paliwa i przestrzegane są interwały wymiany oleju, jest mało prawdopodobne, że wystąpi przypadek zrównoważenia się TBN/TAN. W większości główną przyczyną wymiany oleju jest zanieczyszczenie cząsteczkami stałymi, a nie kwasowość.

Czy wysoka liczba TBN jest ważna?
Próbując odróżnić swoje produkty od konkurencji, niektórzy producenci środków smarnych zaczynają „konkurować” o wyższy TBN, wychodząc z założenia: im wyższy TBN, tym lepiej.
Ten artykuł wyjaśnia, kiedy wysoka liczba TBN jest pożądana, a kiedy nie. Poniższy prosty schemat ma pomóc w ocenie potrzeb dotyczących samochodów osobowych:
- starsze samochody z silnikiem Diesla, bez filtrów cząstek stałych (DPF), wykorzystujące paliwo niskiej jakości lub zanieczyszczone: zalecany zakres TBN wynosi 10-12 mg KOH/g;
- nowsze pojazdy z silnikiem Diesla, z filtrami cząstek stałych (DPF), zasilane olejem napędowym o ultra niskiej zawartości siarki (ULSD): zalecany zakres TBN to 6-9 mg KOH/g.

Zastosowanie biopaliwa może również uzasadniać wybór oleju o wyższej wartości TBN. Problem polega na tym, że olej w skrzyni korbowej jest zawsze w pewnym stopniu „rozcieńczany” paliwem, szczególnie podczas krótkich podróży, gdy silnik nie rozgrzewa się prawidłowo, lub przy wysokich prędkościach obrotowych, gdy do chłodzenia silnika używana jest bogata mieszanka paliwowo-powietrzna. Rozcieńczenie oleju silnikowego tradycyjnym paliwem na bazie ropy naftowej spowoduje spadek lepkości, ale nie wpłynie znacząco na stabilność utleniania oleju. Jednak rozcieńczenie oleju silnikowego biopaliwem osłabia stabilność utleniania oleju.
Pojazdy napędzane benzyną, gazem LPG i CNG nie wymagają wysokiego TBN, który w tym przypadku może być szkodliwy, powodując gromadzenie się osadów popiołu i niekorzystnie wpływając na systemy oczyszczania spalin (GPF, TWC). Używanie wysokowydajnego oleju napędowego o dużej zawartości TBN (HDDO) w nowym, doładowanym silniku benzynowym może wywołać niebezpieczne zjawisko stukania w silniku, znane jako LSPI (przedwczesny zapłon przy niskich prędkościach obrotowych silnika), co może zniszczyć silnik.

Tabela. Górne limity TBN wg klasyfikacji ACEA 2016

Dopuszczalne limity
Dopuszczalne limity TBN są regulowane przez ACEA i liczne krajowe normy dotyczące oleju silnikowego. Należy pamiętać, że istnieją różne procedury laboratoryjne oznaczania TBN, przy czym najbardziej popularne są normy ASTM D 2896 i ASTM D 4739. Klasyfikacja ACEA wymaga stosowania normy ASTM D 2896, która skutecznie kwantyfikuje zarówno silne, jak i słabe zasady w recepturze i ma tendencję do uzyskania wyższego odczytu TBN niż norma ASTM D 4739.
Głównymi składnikami TBN w oleju silnikowym są nadzasadowe detergenty, w tym między innymi sulfoniany, fenolany i salicylany wapnia, a czasem także sód i magnez. Należy zdawać sobie sprawę, że liczy się nie tylko faktyczna wartość TBN, ale także to, które dodatki zostały zastosowane w recepturze, aby osiągnąć wspomnianą wartość. Na przykład nadzasadowe sulfoniany pozwalają na łatwe zwiększenie TBN. Jednak neutralizują one zarówno najbardziej szkodliwe silne kwasy, jak i mniej szkodliwe kwasy słabe, a co za tym idzie, bufor alkaliczny szybko się wyczerpuje. Ponadto nie wykazują one właściwości detergencyjnych, które mogą zapewnić niskozasadowe polimerowe sulfoniany i bezpopiołowe dyspergatory. Jednak te ostatnie są mniej wydajnymi wzmacniaczami TBN! Odnotowano, że częściowe zastąpienie detergentu wapnia detergentem sodowym zmniejsza ryzyko LSPI. Uważa się, że silniejsze zasady zawarte w nadzasadowych detergentach sodowych są również skuteczniejsze w radzeniu sobie z zanieczyszczeniami biodiesla. Ponowne opracowanie zrównoważonej formuły wymaga dużego doświadczenia w celu spełnienia wymaganych specyfikacji wydajności przy możliwie najmniejszych kosztach.
Klasyfikacja olejów silnikowych API nie reguluje wyraźnie poziomu TBN, opierając się na normie ASTM D 6557, aby ocenić właściwości antykorozyjne olejów. Jest to zrozumiałe, ponieważ większość amerykańskiej floty samochodowej wykorzystuje benzynę zamiast oleju napędowego. Jeśli chodzi o zastosowanie w ciężkich warunkach, przy dużych obciążeniach, uważa się, że oleje o niewystarczającej ochronie antykorozyjnej prawdopodobnie nie przejdą pozytywnie testów silnika zalecanych przez klasyfikację API i tym samym zostaną wyeliminowane. Od momentu zmniejszenia poziomu siarki w oleju napędowym nowoczesne oleje silnikowe CJ-4, CK-4 i FA-4 mają niższą wyjściową wartość TBN niż poprzednie klasy API, takie jak CI-4 i CH-4. Zredukowano także limit niezdatności do użycia dla eksploatowanego oleju. Co więcej, niektórzy przedstawiciele branży kwestionują znaczenie TBN dla olejów silnikowych!

TBN a wyczerpywanie się rezerw alkalicznych
Z technicznego punktu widzenia nie zawsze ważne jest, jak wysoka jest wartość TBN dla świeżego oleju, istotniejsze jest, jak szybko spada ona w eksploatacji z powodu wyczerpania rezerw alkalicznych. Ogólnie rzecz biorąc, specyfikacje ACEA są bardziej rygorystyczne niż API. Poniższy opis ma pomóc w ocenie potrzeb w zakresie TBN dla ciężarówek o dużej ładowności:
- przy stosowaniu oleju napędowego o wysokiej zawartości siarki: zalecany zakres TBN wynosi 12-15 mg KOH/g; wybrać ACEA E4 lub E7, lub API CH-4 lub CI-4 HDDO. Jeśli jest się zmuszonym do używania złego paliwa, nie ma znaczenia, czy samochód ciężarowy jest stary czy nowy: kiedy trzeba wybierać między długowiecznością silnika a długowiecznością układu oczyszczania spalin, pierwsze jest ważniejsze;
- nowe samochody ciężarowe z silnikami z EGR, wyposażone w systemy redukcji NOx SCR i filtry cząstek stałych, wykorzystujące olej napędowy ULSD: zalecany zakres TBN wynosi 7-9 mg KOH/g. Należy wybrać ACEA E6, E9 lub API CJ-4, CK-4 lub FA-4, zgodnie z zaleceniami producentów silników.

API CK-4 i ACEA E9 są preferowanym wyborem dla silników spełniających wymagania normy Euro 6. Kategoria API FA-4 obejmuje niektóre oleje xW-30 o obniżonej lepkości HTHS (2.9-3.2 cP), które są kompatybilne jedynie z niektórymi nowymi czterosuwowymi silnikami wysokoprężnym spełniającymi normy, obowiązujące w 2017 roku w zakresie emisji gazów cieplarnianych (GHG) na drogach. Oleje API FA-4 nie powinny być używane w innych silnikach; w razie wątpliwości jako bezpieczniejszą alternatywę należy wybrać API CK-4 lub ACEA E6 lub E9.
Wszystkie oleje silnikowe Bizol, dzięki najwyższej jakości formułom, wykorzystującym specjalnie dopasowane pakiety inhibitorów, charakteryzują się wyjątkową stabilnością utleniania i utrzymaniem TBN, co zapewnia doskonałą, długotrwałą ochronę przed korozją nawet w najcięższych warunkach.

prof. dr Boris Zhmud
szef działu R & D Bizol