Okresowa wymiana

Przy wzajemnym przemieszczaniu względem siebie części zawsze występuje tarcie. Zjawisko to można zminimalizować poprzez zastosowanie smarowania. Zadaniem smarowania jest oddzielenie od siebie powierzchni roboczych współpracujących ze sobą części maszyn za pomocą warstwy substancji smarnej.
Podczas smarowania olej wprowadzony pomiędzy współpracujące powierzchnie robocze wypełnia ich naturalne nierówności, które są nieuniknionym następstwem każdej obróbki mechanicznej. Dzięki temu tworzy warstwę oddzielającą dwie współpracujące części.
Rozdzielenie nierówności współpracujących części jest oczywiście podstawową funkcją oleju silnikowego. Olej w silniku spełnia również wiele innych funkcji, bez których wydajna i bezawaryjna praca silnika byłaby niemożliwa.
Olej w układzie smarowania silnika zapewnia:
- usuwanie ze współpracujących powierzchni drobnych opiłków metalu i cząstek stałych produktów procesu spalania,
- zabezpieczanie metalowych powierzchni części silnika przed czynnikami korozyjnymi,
- odprowadzanie nadmiaru ciepła z silnika do atmosfery,
- uszczelnianie współpracujących powierzchni elementów.
Olej silnikowy, żeby spełniać tak wiele rozmaitych funkcji musi posiadać specyficzne, bardzo różnorodne właściwości fizykochemiczne. Pomimo ciężkich warunków pracy musi zapewniać w sposób trwały i niezawodny:
- zdolność wytwarzania powłoki smarnej pomiędzy współpracującymi powierzchniami,
- odporność na utlenianie się,
- odpowiednią lepkość,
- trwałość wszystkich właściwości w szerokim zakresie temperatur roboczych.
Podstawowym warunkiem spełnienia tych wymagań i zapewnienia prawidłowej pracy silnika jest dobranie właściwego oleju do odpowiedniego rodzaju silnika. Dobór odpowiedniego oleju do danego rodzaju silnika oparty jest na dwóch podstawowych kryteriach:
- lepkościowych – zależnych od warunków cieplnych pracy,
- jakościowych – zależnych od konstrukcji silnika, rodzaju paliwa, obciążeń temperaturowych.
Lepkość jest miarą oporu jaką olej stawia podczas płynięcia. Większa lepkość oznacza większe straty w silniku. Mniejsza lepkość powoduje gorsze zabezpieczenie silnika. Lepkość powinna być więc dobrana na zasadzie kompromisu pomiędzy tymi skrajnymi wymaganiami. Lepkość oleju maleje w miarę wzrostu temperatury, wzrasta wraz ze spadkiem temperatury. Tendencje do zmiany lepkości w funkcji temperatury oleju określa wskaźnik lepkości, który jest jednostką bezwymiarową. Ustala się go w zakresie temperatur od 40 do 100 0C, pomimo znacznie szerszego zakresu rozpiętości temperatur, w jakich pracuje olej silnikowy.

W celu optymalnego doboru lepkości oleju do stosowania w określonych warunkach klimatycznych w przeszłości podzielono je na 11 klas według systemu klasyfikacji lepkościowej. Zgodnie nim wyodrębniono 5 klas olejów letnich (według symboli 20, 30,…, 50, 60) oraz 6 klas olejów zimowych (zgodnie z oznaczeniami 0W, 5W,…, 20W, 25W). W obecnych warunkach przeważnie stosuje się oleje wielosezonowe, np. 0W-40. Pierwszy człon oznaczenia określa lepkość w warunkach zimowych, czyli do jakiej temperatury poniżej zera olej zachowuje płynność gwarantującą właściwą pracę silnika. Jest to tzw. lepkość niskotemperaturowa. Im mniejsza liczba przed literą W, tym w niższej temperaturze olej będzie bardziej płynny, a tym samym rozruch silnika będzie łatwiejszy i mniejsze będzie jego zużycie podczas rozruchu. Drugi człon oznaczenia opisuje właściwości oleju przy wysokich temperaturach. Jest to tzw. lepkość wysokotemperaturowa i określa właściwości oleju przy temperaturze pracy silnika (około 100 0C). Wyższa liczba określa wyższą lepkość. Wprowadzenie do użytku olejów wielosezonowych gwarantuje zarówno rozruch w warunkach zimowych, jak i dobrą ochronę w warunkach wysokich temperatur pracy silnika. Drugim istotnym kryterium doboru oleju do konkretnego silnika są parametry jakościowe, do których zaliczyć można: własności smarne, myjące, antykorozyjne oraz odporność na starzenie. Zgodnie z tym kryterium powstała klasyfikacja jakościowa olejów silnikowych. Klasyfikacja ta daje możliwość łatwego i trafnego doboru oleju o właściwościach odpowiednich dla danego typu silnika. Obecnie stosowane są dwie klasyfikacje olejów silnikowych według parametrów jakościowych. Jedną z nich jest klasyfikacja amerykańska API. Zgodnie z nią, poszczególne kategorie oznaczone są przy użyciu kodu dwuliterowego. Pierwsza litera określa przydatność oleju dla silnika ze względu na stosowane paliwo, i tak dla:
- silników z zapłonem iskrowym przyjęto S,
- silników z zapłonem samoczynnym C.
Druga litera określa poziom jakości oleju. Litera A określa klasę najniższą. Oleje uniwersalne spełniające wymagania zarówno dla silników benzynowych, jak i o zapłonie samoczynnym, oznaczane są podwójną klasą jakościową SF/CB.
Ze względu na zbyt duże różnice w konstrukcjach silników i warunków klimatycznych wprowadzono dla rynku europejskiego nieco odmienną klasyfikację jakościową olejów silnikowych ACEA. Klasyfikacja ta obejmuje tylko współcześnie stosowane oleje wysokojakościowe. Zgodnie z tym podziałem występują trzy grupy olejów. Kod składa się z dwóch znaków: litery i cyfry. Litera określa rodzaj silnika a cyfra poziom jakości oleju. Im wyższa cyfra, tym wyższa jakość oleju. Litera A (cyfra od 1 do 5) określa przydatność oleju do silników benzynowych, B (cyfra od 1 do 5) do silników z zapłonem samoczynnym samochodów osobowych i lekkich dostawczych, natomiast E (cyfra od 1 do 4) do silników z zapłonem samoczynnym samochodów ciężarowych. Stosowane dotychczas oleje były produktami destylacji ropy naftowej. Uzyskiwane były w wyniku ogrzewania ropy naftowej bez dostępu powietrza. Otrzymywane w ten sposób składniki były frakcjonowane przez ich schłodzenie. Oleje te są mieszaniną wysokowrzących węglowodorów nasyconych. Wytwarzane w ten sposób oleje silnikowe nazywane są olejami mineralnymi. Ciągłe zmiany konstrukcyjne silników (wzrost mocy, wysokie prędkości obrotowe, zmniejszanie objętości układów olejowych) spowodowały wzrost obciążeń cieplnych i mechanicznych silnika, a tym samym pogorszenie warunków pracy oleju. Tak więc, postęp w dziedzinie rozwoju konstrukcji silników spalinowych wymusił postęp w technologii olejów silnikowych. Pierwszym krokiem dostosowania oleju do wyższych wymagań było dodawanie do bazy oleju mineralnego zestawu dodatków uszlachetniających i poprawiających właściwości oleju bazowego. Stosowane dodatki mają na celu zwiększenie właściwości myjących oleju, zwiększenie wydajności przenoszenia zanieczyszczeń, poprawę charakterystyki lepkościowo-temperaturowej, podwyższenie skuteczności ochrony oleju przed utlenianiem a elementów silnika przed zużyciem. Zawartość dodatków uszlachetniających w olejach wynosi zwykle w granicach od 10 do 30 proc.
Wszystkie dodatki uszlachetniające można podzielić na trzy podstawowe grupy:
- modyfikatory zapewniające zmianę charakterystyki oleju bazowego w celu dostosowania oleju do wymagań nowoczesnych rozwiązań konstrukcyjnych silników,
- dodatki zabezpieczające olej przed szybkimi zmianami chemicznymi w celu przedłużenia jego żywotności,
- dodatki zabezpieczające metalowe powierzchnie przed korozją, nadmiernym tarciem i przed zbyt szybkim zużyciem.
Do modyfikatorów należą: środki poprawiające wskaźnik lepkości i depresatory. Modyfikatory lepkości poprawiają wskaźnik lepkości oleju. Powodują, że olej wraz ze wzrostem temperatury zmniejsza swoją lepkość, przez co jest zapewniona odpowiednia grubość filmu olejowego, natomiast przy obniżaniu się temperatury lepkość oleju mniej wzrasta, co ułatwia rozruch silnika w niskich temperaturach. Depresatory są natomiast związkami obniżającymi temperaturę płynięcia oleju poprzez przeciwdziałanie wytrącaniu się kryształów parafiny w oleju.
Do dodatków zabezpieczających olej przed szybkimi zmianami chemicznymi w celu przedłużenia jego żywotności należą: antyutleniacze, deaktywatory metalu i czynniki przeciwdziałające spienianiu. Antyutleniacze zapobiegają utlenianiu się oleju, które prowadzi do wzrostu lepkości oleju, wzrostu jego korozyjności i powstawania nagarów. Podobną funkcję pełnią deaktywatory metalu. Mechanizm działania czynników przeciwdziałających spienianiu polega na chemicznej reakcji z powierzchnią pęcherzy powietrza i obniżaniu ich napięcia powierzchniowego.
Wśród dodatków zabezpieczających metalowe powierzchnie przed korozją, nadmiernym tarciem i przed zbyt szybkim zużyciem wyróżnić można: dodatki zapobiegające zużyciu, inhibitory korozji, detergenty, dodatki rozpraszające i modyfikatory tarcia. Dodatki zapobiegające zużyciu działają na zasadzie takiej reakcji chemicznej dodatku z powierzchnią metalu, aby powstała warstwa była miękka i stawiała mniejszy opór siłom ścinającym w procesie smarowania granicznego. Inhibitory korozji są dodatkami zapobiegającymi wewnętrznej korozji silnika przez uniemożliwienie bezpośredniego dostępu wody do powierzchni metalowych. Detergenty są dodatkami, których celem jest zapobieganie odkładaniu się osadów. W połączeniu z nimi stosowane są najczęściej środki rozpraszające, których zadaniem jest utrzymanie rozpuszczonych przez detergenty związków w zawiesinie. Modyfikatory tarcia są z kolei dodatkami poślizgowymi zmieniającymi współczynnik tarcia przez pokrywanie w drodze reakcji chemicznej powierzchni współpracujących części metalowych. Drugim, jeszcze lepszym sposobem dostosowania olejów silnikowych do wysokich wymagań okazała się zmiana bazy olejowej z mineralnej na syntetyczną. Olej syntetyczny jest więc olejem, którego baza jest syntetyczna, czyli stworzona została w wyniku różnych procesów chemicznych, a nie jest produktem bezpośredniego przetwórstwa ropy naftowej. Dzięki tym procesom powstają związki o budowie i właściwościach z góry ustalonych i zaplanowanych. Są to syntetyczne węglowodory dodatkowo uszlachetnione specjalnymi dodatkami. Oleje syntetyczne posiadają bardzo dobrą charakterystykę lepkościową zarówno w niskich, jak i w wysokich temperaturach. Mają one znacznie lepsze właściwości myjące i większą odporność na starzenie. Dzięki temu silnik dłużej utrzymywany jest w stanie należytej czystości. Także lepsze właściwości smarne olejów syntetycznych wpływają znacząco na zmniejszenie zużycia elementów silnika, a tym samym powodują wzrost żywotności i niezawodności działania silnika. Wszystkie te niewątpliwe zalety związaną są jednak z wysoką ceną tego typu oleju. Przy doborze oleju silnikowego należy zapoznać się z zaleceniami i sugestiami zawartymi przez producenta pojazdu w fabrycznej instrukcji obsługi pojazdu. Można stosować olej klasy wyższej niż jest zalecany przez producenta pojazdu, lecz nie będą widoczne żadne korzyści, a straty będą spore ze względu na koszt zakupu, który będzie wyższy. Bezwzględnie natomiast należy unikać używania oleju klasy niższej niż zalecana. Klasa lepkości oleju powinna być raczej dobrana do przewidywanych warunków klimatycznych użytkowania pojazdu. W naszych warunkach klimatycznych najkorzystniejszy jest wielosezonowy olej 15W-40. Stosowanie oleju o wyższej lepkości niż zalecana fabrycznie nie jest zasadne. Nie należy mieszać olejów różnego gatunku, a zwłaszcza olejów mineralnych z syntetycznymi, ponieważ może to w sposób nieprzewidywalny zmienić właściwości oleju. Nie zaleca się również zmieniać oleju mineralnego na syntetyczny przy znacznym przebiegu silnika pracującego z olejem mineralnym. Ze względu na dobre właściwości myjące oleju syntetycznego, wypłukiwane przez niego laki i nagary pozostałe po stosowaniu oleju mineralnego zatkają filtr oleju i doprowadzą do powstania niedrożności całego układu smarowania. Procesem normalnym przy eksploatacji pojazdu samochodowego jest zmiana właściwości oleju silnikowego spowodowana jego starzeniem. Wpływ na to mają stopień utleniania składników oleju oraz intensywność zanieczyszczenia oleju (opiłki metalu, płyn chłodzący). Ilość zanieczyszczeń w oleju zależna jest przede wszystkim od warunków eksploatacji i stanu technicznego silnika. Każdy producent silnika podaje bezpieczny dla niego okres wymiany oleju. Należy bezwzględnie przestrzegać okres wymiany, ponieważ przy zbyt długiej eksploatacji silnika bez wymiany oleju poważnie zakłócone zostają funkcje usuwania zanieczyszczeń powstałych na skutek pracy (opiłki metalu, cząstki produktów spalania) oraz zabezpieczenia elementów przed korozją. Dodawane do oleju substancje chemiczne służące jako inhibitory korozji z czasem się zużywają, więc proces ochrony elementów przez olej przed korozją nie zachodzi. Najniebezpieczniejsze dla systemu smarowania jest jednak to, że z powodu zbyt długich okresów między kolejnymi wymianami oleju zakłócona zostaje funkcja usuwania zanieczyszczeń (opiłków metalu, nagaru). Skutkiem tego jest proces tworzenia się szlamu i laku pokrywającego nieruchome i ruchome powierzchnie elementów silnika, co w efekcie końcowym może doprowadzić do poważnego uszkodzenia silnika. Obecnie, ze względu na produkcję coraz lepszych jakościowo olejów silnikowych, wydłuża się stopniowo okresy pomiędzy wymianami oleju. W przeszłości przy stosowaniu olejów mineralnych przyjmowano, że okres wymiany przepracowanego oleju następował po przebiegu 10 do 15 tysięcy kilometrów lub raz w roku. Obecnie przy zastosowaniu olejów syntetycznych zakłada się, że przebiegi te mogą wynosić nawet do 30 tysięcy kilometrów.