Rozwój technologii paliw silnikowych, w tym olejów napędowych uwarunkowany jest głownie względami ekologicznymi i współczesnymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi silników spalinowych.

Działania legislacyjne zmierzają w kierunku radykalnego obniżenia zawartości siarki, węglowodorów aromatycznych, obniżenie końcowej temperatury wrzenia, gęstości, lepkości i podwyższenia liczby cetanowej.
Dla konstruktorów silników spalinowych i użytkowników ważnymi cechami oleju napędowego jako paliwa silnikowego są te, które określają ich właściwości eksploatacyjne. Do tych cech zalicza się:
- utworzenie właściwej mieszanki paliwa z powietrzem w każdych warunkach rozruchu;
- prawidłowy przebieg procesu spalania zapewniający pożądaną elastyczność, moc i trwałość silnika;
- bezproblemową i długą eksploatację silnika.

Właściwości olejów napędowych
Podstawowym dokumentem określającym wymagane właściwości olejów napędowych jako paliwa silnikowego jest norma EN 590.
Wymagania te muszą z jednej strony spełniać potrzeby silnika, a z drugiej zaś ograniczenia stawiane przez przepisy ochrony środowiska naturalnego. Właściwości określone w przedmiotowej normie podzielić można na trzy grupy:
- istotne dla właściwej pracy silnika;
- mające wpływ na skład spalin;
- istotne z punktu widzenia dystrybucji paliwa.
Podstawowe właściwości paliwa wpływające na przebieg procesu spalania w silniku wysokoprężnym to:
- zakres temperatury wrzenia;
- gęstość;
- skład grupowy i zawartość siarki;
- liczba cetanowa jako wypadkowa składu grupowego.
Jednym z najistotniejszych parametrów jakościowych paliwa do silnika Diesla, (oleju napędowego) wpływających na emisję cząstek stałych i trwałość silnika, jest zawartość siarki. Siarka jest naturalnym składnikiem ropy naftowej. Jej zawartość w oleju napędowym zależy od rodzaju ropy naftowej oraz technologii użytej do jej przeróbki. Negatywne oddziaływanie siarki zawartej w paliwie silników spalinowych dostrzeżono wcześniej niż wprowadzono pierwsze limity emisji toksycznych składników spalin.
Zauważono korelację pomiędzy zawartością siarki, a korozyjnym zużyciem silnika, jak również przyspieszone ścierne zużycie silnika spowodowane zwiększoną ilością nagaru, dodatkowo o wyższej twardości, a odkładanym w komorze spalania zasiarczonym paliwem.
Zawarta w oleju napędowym siarka wywiera również niekorzystny wpływ na wszystkie układy katalitycznego oczyszczania spalin stosowane w silnikach wysokoprężnych. Ponadto przyczynia się do wzrostu emisji cząstek stałych przez silniki nie wyposażone w tego typu urządzenia.
Wysuwane wymagania odnośnie zawartości siarki w oleju napędowym przez producentów pojazdów, wydane w Światowej Karcie Paliw (Worldwide Fuel Charter) w kwietniu 2000 roku, domagają się maksymalnej jej zawartości na poziomie 5-10 mg/kg, jako niezbędnego warunku do wprowadzenia zaawansowanych systemów oczyszczania spalin silników wysokoprężnych.
Ważnym zagadnieniem w sferze wymagań techniczno-eksploatacyjnych olejów napędowych jest parametr smarnościowy. Należy podkreślić, że związki siarki zawarte w oleju napędowym, a także odpowiednia lepkość kinematyczna zapewniają paliwu wymagane właściwości smarne, które zapobiegają nadmiernemu zużyciu elementów aparatury wtryskowej silnika wysokoprężnego.
Radykalne obniżenie zawartości siarki, a przede wszystkim zawartości węglowodorów aromatycznych w typowych olejach napędowych wymaga specjalnego przygotowania składników paliwa, przy zastosowaniu wysokociśnieniowych wodorowych procesów rafineryjnych, jak uwodornienie i hydrorafinacja, czy tez nowoczesnych procesów destrukcyjnych, jak wysokociśnieniowy hydrokraking.
W oparciu o dane literaturowe trudno jednoznacznie określić, w jakim stopniu poszczególne składniki olejów napędowych wpływają na ich właściwości smarne. Jako poprawiające wspomniane właściwości wymieniane są komponenty o dużej masie cząsteczkowej, naftaleny, poliaromaty, związki siarki, związki fosforu czy tlenu, chociaż można także spotkać się ze zdaniem, że chodzi ogólnie biorąc o substancje polarne z wyłączeniem jednak związków zawierających siarkę i azot.
Znacznie łatwiej osiągnąć założoną zawartość siarki, a także obniżyć zawartość węglowodorów aromatycznych, głównie wielopierścieniowych w paliwach, w których znacznie obniżono temperaturę końca wrzenia o odrzucono najcięższe frakcje węglowodorowe, stosowane od lat do zestawienia olejów napędowych.
Samo obniżenie temperatury końca wrzenia ma dodatkowo korzystny wpływ na poziom emisji cząstek stałych i zadymienie spalin, a także na niskotemperaturowe właściwości paliwa.
W wielu ośrodkach naukowych prowadzone są badania nad opracowaniem nowych technologii odsiarczania paliw. Jedną z ciekawszych jest odsiarczanie biologiczne przy pomocy bakterii beztlenowych (Rhodococcus), których enzymy powodują rozrywanie wiązań węgiel-siarka. Pod koniec lat osiemdziesiątych i na początku lat dziewięćdziesiątych XX wieku, z uwagi na rosnące zagrożenie środowiska spalinami z silników wysokoprężnych, w wielu krajach Europy nastąpiło znaczne obniżenie zawartości siarki i węglowodorów aromatycznych w oleju napędowym.
Tendencje do obniżania zawartości siarki w oleju napędowym doprowadziły do sytuacji, w której z paliwa usunięto substancje odpowiedzialne za smarowanie układów wtryskowych. Stwierdzono, że już poniżej 100 ppm siarki w paliwie zaczynają się pojawiać problemy ze zużyciem elementów układu zasilania silnika.

Pojęcie smarności
Pojęcie smarności pojawiło się pod koniec XIX wieku, gdy do smarowania elementów maszyn zaczęto stosować oleje mineralne zamiast stosowanych olejów roślinnych. Termin smarności wprowadzono w tym samym wieku przez A. Kingsburry’ego jako właściwość smaru, niezależna i odmienna od lepkości, polegająca na zmieszaniu oporów tarcia w warunkach tarcia półsuchego. Smarność nie jest cechą fizyczną paliwa.
Wraz z rozwojem nauki pojęcie to ulegało pewnym zmianom i do dnia dzisiejszego nie opracowano jednoznacznej definicji smarności.
Wielu autorów prac badawczych tej dyscypliny uważa, że smarność została zdefiniowana przez Appeldoorna i Dukek’a w 1961 roku.
Według tej definicji: “...jeżeli dwie ciecze mają taką samą lepkość i jedna z nich powoduje mniejsze tarcie i zużycie, to można o niej powiedzieć, że ma lepszą smarność”.
Bardziej współczesną, odniesioną do olejów napędowych definicję smarności przedstawił Mitchell jako “zdolność paliwa do zapobiegania lub minimalizacji zużycia elementów aparatury wtryskowej silnika Diesla”.
Zgodnie ze stosowaną obecnie w Europie normą ISO 12156 - Ocena smarności przy stosowaniu aparatu o ruchu posuwisto-zwrotnym wysokiej częstotliwości (HFRR)”, smarność paliwa definiowana jest jako: ”właściwość płynu, oceniana na podstawie śladu zużycia powstałego na oscylującej kolce stykającej się z nieruchomą płytką zanurzoną w płynie i pracującą w ściśle określonych warunkach”.
Według prof. E. Kołodzieja z Politechniki Krakowskiej i dra inż. B. Szczerskiego z Instytutu Technologii Nafty w Krakowie, wyjaśnienia tej różnorodności poglądów można doszukiwać się w znaczących różnicach w zakresie przyjętych przez różnych autorów metodyk badawczych, stosowali bowiem oni różne obciążenia, szybkości poślizgu, temperatury badania i wreszcie węzły tarcia, różniące się tak pod względem geometrii, jak i metalurgii czy obróbki powierzchni elementów testowych.

Metody badania właściwości smarnych olejów napędowych
Właściwości smarne olejów napędowych mają znaczący wpływ na trwałość i niezawodność pracy elementów układów paliwowych silników wysokoprężnych. Najbardziej wrażliwe są układy pomp rozdzielaczowych, których części pracują przy dużych naciskach jednostkowych.
Badania smarności paliw prowadzi wiele ośrodków naukowych, głównie w Europie i Ameryce Północnej, w tym również w kraju. W wyniku tych badań opracowano szereg testów smarności, z których najbardziej znane to:
- Lucas Dwell Test;
- Lucas Fours-Ball Test;
- Tafle (Thornton Aviation Fuel Lubricity Evaluator);
- Bocle (Ball-on-Cylinder Lubricity Evaluator);
- HFRR (High Frequency Reciprocating Rig);
- Slbocle (Scuffing Load Bocle);
- Bocle (Lubrizol Hadley);
- Botd (Ball-on-Three Discs);
- Plint Te-77.
Smarność oleju napędowego oceniać można trzema sposobami w oparciu o:
- badania laboratoryjne (testy smarnościowe);
- badania stanowiskowe w aparaturze wtryskowej;
- badania eksploatacyjne w pojeździe samochodowym.
Badania laboratoryjne są względnie proste w wykonaniu i najczęściej rozpowszechnione z uwagi na niskie koszty i szybkość wykonania.
W Polsce badania smarności paliw silnikowych oraz dodatków smarnościowych przeprowadza się najczęściej za pomocą aparatu HFRR – patrz poniżej.
Aparat HFRR pozwala na stosunkowo szeroką ocenę smarnych i przeciwzużyciowych własności badanych próbek. Badania wykonuje się w temperaturze 25OC i 60OC. Miara zużycia jest skorygowana (do wartości w warunkach minimalnego ciśnienia pary wodnej równego 1,4 kPa) średnica skazy na kulce, oznaczona jako WS1,4 (Wear Scar). Przyjmuje się, że średnica ta nie powinna przekraczać 380 mm w temperaturze 25OC i 460 mm w temperaturze 60OC. Wykonanie jednego oznaczenia trwa około dwóch godzin.
Najbardziej popularnym testem stanowiskowym stosowanym do oceny właściwości smarnych olejów napędowych jest test z zastosowaniem rotacyjnej pompy wtryskowej, opracowany przez firmę Bosch. Test trwa 1000 godzin, a po jego zakończeniu ocenia się stopień zużycia głównych elementów pompy. Badania te są kosztowne ze względu na znaczne zużycie paliwa, kształtujące się w przedziale od 200 do 400 litrów. Najwięcej obiektywnych informacji o właściwościach smarnych oleju napędowego dostarczają badania eksploatacyjne. Podobnie jak badania stanowiskowe są czasochłonne i wymagają zużycia dużej ilości paliwa, stąd też są kosztowne.

Kryteria doboru dodatków smarnych
Przy doborze dodatków smarnych należy brać pod uwagę nie tylko ich podstawową rolę, ale również niezbędne jest uwzględnienie kryteriów ekologicznych i antykorozyjnych. Dlatego też dodatek poprawiający smarność oleju napędowego powinien spełniać następującym wymaganiom:
- odpowiednia smarność;
- brak składników niepożądanych w paliwie ze względów ekologicznych (np. siarki);
- brak składników wpływających na ograniczenie trwałości katalizatorów spalin (np. fosfor);
- emisja spalin zbliżona do paliwa bez dodatków;
- brak agresywności w oddziaływaniu na materiały aparatury wtryskowej;
- kompatybilność z olejami smarowymi stosowanymi w pompie szeregowej;
- brak innych potencjalnych efektów ubocznych (np. słabe wydzielenie wody lun zdolność do pracy w niskich temperaturach).
Dodatki smarne wchodzące w skład pakietu nie powinny antagonizować innych właściwości eksploatacyjnych takich jak np. właściwości myjące, przeciwpienne lub przeciwmgielne.

Wymagania jakościowe stawiane niskosiarkowym olejom napędowym pociągają za sobą zmianę wielu właściwości fizykochemicznych paliwa, w tym niepożądane pogorszenie właściwości smarnych. W oparciu o dane literaturowe i własne przemyślenia niedostateczny poziom właściwości smarnych olejów napędowych należy upatrywać w:
- niskiej lepkości lub braku dostatecznej ilości śladowych substancji związków zawierających tlen i azot, oraz niektórych typów aromatów mogących być przyczyną zwiększonego zużycia elementów aparatury wtryskowej;
- obniżonej zawartości siarki w oleju napędowym podczas procesu hydrorafinacji, prowadzący do zmniejszenia zawartości związków polarnych w tym paliwie.
Pogorszenie właściwości przeciwzużyciowych niskosiarkowych olejów napędowych było w wielu krajach przyczyną uszkodzenia rotacyjnych (rozdzielaczowych) pomp wtryskowych, stanowiących osprzęt małych silników stosowanych w samochodach osobowych i dostawczych. Spośród wielu metod dotyczących oceny właściwości smarnych olejów napędowych najwyżej oceniono test HFRR jako najlepiej odzwierciedlający warunki eksploatacji paliwa w układzie zasilania silnika Diesla.
Smarność olejów napędowych stała się obecnie jednym z wymagań jakościowych paliw silnikowych.

Schemat aparatu HFRR i warunki badania.
Janusz Jakóbiec
Instytut Technologii Nafty - Kraków